水凝胶，Nature Materials！

米测MeLab

2026-03-17

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

水凝胶（如甲基纤维素 MC）在药物递送、接触镜片和组织工程等领域应用广泛。尽管其被视为半柔性生物聚合物网络的典型模型，但现有模型在预测流变性质（如浓度依赖性）时存在显著偏差。

关键问题

目前，水凝胶的研究主要存在以下问题：

1、表征技术存在伪影干扰

传统的高分辨率表征（如 cryo-TEM）在制样过程中难以精确控温，且脱水和剪切力（如吸水纸擦拭步）会严重干扰水凝胶原始的溶液相网络结构，导致观察到的形态可能并非真实状态。

2、流变模型预测严重失真
由于忽视了更高维度的层级结构（如微米级纤维束），现有的物理模型在预测储能模量（G'）时，其数值和浓度缩放指数常与实验观测值存在数量级上的差异，无法有效指导材料设计。

新思路

有鉴于此，美国西北大学Nathan C. Gianneschi等人通过液相透射电子显微镜以高时空分辨率对溶剂化水凝胶进行成像，以避免脱水和剪切伪影。在散射和扫描电子显微镜的佐证下，观察到甲基纤维素水凝胶形成了一个具有高持续长度和微米级纤维束的层级组装网络，这为预测宏观流变学提供了更准确的依据。此外，还观察到了羟丙基甲基纤维素和羟丙基纤维素的网络结构。这些跨多个长度尺度的观察引导人们更清晰地理解纳米尺度结构如何影响微尺度结构和宏观行为，有助于为水凝胶材料开发更准确的结构-性能关系。

技术方案：

1、验证了传统表征手段的局限性

 传统表征显示甲基纤维素形成纳米纤维网络，但流变学揭示储能模量异常增长及显著滞后效应，表明纳米尺度之上存在未知高阶层级结构主导宏观性能，传统技术难以捕捉关键特征。

2、提出了创新的变温液相透射电镜（VT-LCTEM）技术

变温液相电镜实时观察到甲基纤维素在65°C通过成核生长形成高度单轴排列的微米级纤维束，由纳米纤维紧密平行组装而成，降温时的边缘磨损解释了流变滞后现象，揭示了层级组装机制。

3、通过多种手段验证了LCTEM 观察到的现象

作者通过USANS、SANS和变温SEM等多技术互证，证实了LCTEM观察到的微米级纤维束结构，构建了从纳米单纤维到宏观三维网架的完整层级结构蓝图。

4、探讨了纤维束对流变性能的定量贡献

 研究发现纤维束的持续长度决定水凝胶机械强度，基于该参数的流变理论预测与实验高度吻合，为通过调控纤维束特性定制高性能仿生材料提供了新路径。

技术优势：

1、开发了原位动态成像新范式

本文首次利用变温液相透射电子显微镜（VT-LCTEM）在溶液状态下实时观察水凝胶的成核与组装过程，成功规避了传统成像技术的伪影，发现了前人未能观察到的微米级层级纤维束。

2、完善了修正结构-性能预测理论

研究证明了决定水凝胶宏观强度的核心因素是具有微米级持续长度的纤维束，而非纳米级的单根纤维。通过引入真实的结构参数，使流变性质的预测准确度显著提升，完善了半柔性生物聚合物网络模型。

技术细节

传统表征手段的局限性与初步流变分析

作者首先利用传统的 cryo-TEM、SAXS 和流变学手段对甲基纤维素（MC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）等进行了初步表征，旨在验证现有文献的认知。cryo-TEM 显示 MC 和 HPMC 形成了直径约 18-20 nm 的纳米纤维网络，SAXS 拟合结果也验证了这一尺度。然而，流变学实验揭示了不寻常的现象：当浓度增加时，储能模量（G'）的提升远超基于纳米纤维模型的预期。此外，不同多糖尽管化学结构相似，其凝胶化温度和机械强度却表现出巨大差异，且在冷却过程中存在显著的滞后效应，这暗示了在纳米尺度之上可能存在某种尚未被发现的更高阶层级结构在主导宏观性能。现有的半柔性聚合物模型预测 ，但实验测得的缩放指数却在 1.3 到 3 之间剧烈波动，这种理论与实验的不匹配凸显了传统表征技术在捕捉宏观性能关键结构特征方面的无力。

图  LCST多糖的温度响应行为

VT-LCTEM 对纤维束组装过程的实时观测

为了解决传统成像的局限，作者采用了创新的变温液相透射电镜（VT-LCTEM）技术。在实时动态观察中，作者发现当温度升至 65°C 时，MC 并非简单地形成散乱的纳米纤维，而是通过成核过程快速生长出长达数微米、且呈现高度单轴排列的纤维束（直径达 1-2 µm）。这种组装具有明显的各向异性：纤维首先沿主轴方向快速伸长，随后在径向逐渐增粗。高时空分辨率的成像记录显示，这些纤维束由约 20 nm 的纳米纤维紧密平行排列而成，形成了具有极高刚性的结构单元。更有趣的是，在降温过程中，这些纤维束表现出边缘“磨损”和缓慢溶解的特征，这完美解释了流变学中观察到的热滞后现象。这一发现从根本上挑战了“水凝胶仅由随机纠缠的柔性纳米纤维构成”的传统观点，揭示了层级组装才是其真实面目。

图  显示原纤维束生长的VT-LCTEM显微照片

图  用VT-LCTEM连续成像加热的MC溶液

多尺度散射技术与三维形貌验证

为了确保 LCTEM 观察到的现象具有宏观代表性，作者联合运用了超小角中子散射（USANS）、小角中子散射（SANS）以及变温扫描电镜（SEM）。USANS 能够探测 100 nm 以上的大尺度特征，其实验结果证实了 MC 凝胶中确实存在直径约 3.53 µm 的关联域（纤维束），这与 LCTEM 的观察结果高度吻合。对于 HPMC，USANS 数据甚至需要双幂律模型来拟合，揭示了其更为复杂的网络形态。此外，作者改进了冻干 SEM 制样方法，尽可能保留了凝胶的原始网架结构。SEM 图像直观地展示了微米级的纤维束网络，这些束状结构在脱水后依然清晰可见，且其直径变化趋势与散射实验得出的参数一致。通过这种多尺度、跨技术的互证，作者构建了一个从纳米单纤维到微米纤维束，再到宏观三维网架的完整层级结构蓝图，为后续的性能预测奠定了坚实基础。

图  SANS、SALS和SAXS检测的多糖

图  用冷冻干燥扫描电镜观察块状多糖水凝胶中由原纤维形成纤维状束的过程

结构-性能关系重构与流变性质预测

在明确了纤维束的存在后，作者深入探讨了其对流变性能的定量贡献。根据半柔性生物聚合物网络模型，储能模量G'与持续长度l_p 的平方成正比。作者利用图像分析技术分别计算了由不同技术观察到的持续长度：cryo-TEM 得到的  仅为纳米级，而 LCTEM 和 SEM 捕捉到的纤维束  高达 3.5 µm。当将这些基于微米级纤维束的  代入公式时，理论预测曲线与实验测得的流变数据展现出惊人的吻合度，而基于传统纳米纤维参数的预测值则低了数个数量级。这一结果强有力地证明：真正决定水凝胶机械强度的物理参数是这些层级组装束的刚性，而非聚合物单链或纳米纤维本身。研究最后指出，通过调节纤维束的直径和柔韧性，可以精准定制水凝胶的流变行为，这为开发高性能仿生纤维水凝胶开辟了基于物理原理的新路径。

图  将理论模型与流变数据拟合，以确认分层结构

展望

本研究通过先进的变温原位液相成像技术，揭示了多糖水凝胶中长期被忽视的微米级纤维束层级网络。研究证明，正是这些具有高持续长度的纤维束主导了宏观流变性能，而非随机分布的纳米纤维。这一发现修正了延续数十年的半柔性聚合物模型，不仅为解释水凝胶复杂的力学行为提供了统一的结构框架，也为精准设计具有特定流变性能的新型生物材料提供了关键的理论指导。

参考文献：

Rosenmann, N.D., Irie, L.M., Korpanty, J. et al. Prediction of rheological properties via structure elucidation of solvated hydrogels. Nat. Mater. (2026).

 https://doi.org/10.1038/s41563-026-02491-z