自然界中，蜘蛛絲作為一種近乎完美的功能材料，以其獨特的高強度、高韌性、彈性恢復能力及環(huán)境響應性，為高性能纖維材料的設計提供了重要靈感。然而，如何通過規(guī)；铣煞椒◤涂唐鋸碗s的層級結構與多功能特性，一直是材料科學領域面臨的重大挑戰(zhàn)。近日，蘇州大學汪曉巧教授團隊提出一種基于聚丙烯酸鈉（PANa）和聚丙烯酰胺（PAM）雜化聚合物水凝膠的仿蛛絲纖維制備策略。該策略通過濕紡工藝中的可控微相分離與應變編程技術，成功構建出在結構與性能上均高度接近天然蛛絲的多尺度雜化纖維。所制備的纖維不僅展現出優(yōu)異的力學性能，包括118.7 MJ/m3的高韌性及172.3 MPa的拉伸強度，還具備多重與天然蛛絲相似的功能特性，例如50%的彈性應變恢復率、96%的阻尼效率、60%的超收縮率以及對濕度的敏感性。該項研究實現了仿生纖維在規(guī)；苽錆摿εc多功能集成特性上的結合，為發(fā)展下一代高性能、智能化纖維與紡織品提供了重要的理論與技術指導。
2025年11月29日，相關成果以“Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties”為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-025-66537-7）。蘇州大學博士研究生楊健與碩士研究生陳聰聰為論文共同第一作者，汪曉巧教授為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委的資助。
圖 1 具有類蜘蛛絲層級結構和性能的聚丙烯酸鈉-聚丙烯酰胺（PANa-PAM）雜化聚合物水凝膠纖維仿生制備：a 天然蜘蛛絲層級結構的示意圖；b通過可控微相分離和應變編程的濕法紡絲方法制備PANa-PAM水凝膠纖維；c 可規(guī)；a的堅韌且強度高的水凝膠纖維，可進行復雜打結和直接縫紉；d PANa-PAM水凝膠纖維與天然蜘蛛絲以及已報道的仿生纖維性能比較
圖 2濕法紡絲過程中PANa-PAM 水凝膠纖維的微相分離結構調控：通過優(yōu)化不良溶劑組成、紡絲液聚合物組成、紡絲液pH有效調控初生纖維中的微相分離結構，獲得具有小尺寸、密堆積氫鍵納米團簇網絡結構的高強韌性纖維
圖 3 應變編程誘導PANa-PAM水凝膠纖維的單軸取向和可控結晶：通過后牽伸誘導雜化聚合物分子鏈取向和結晶，雜化纖維在400%預應變下獲得高取向度性分子鏈和類似于蛛絲β折疊片結晶的正交晶胞共晶結構
圖 4 PANa-PAM-400%纖維的類蜘蛛絲承重能力、濕度敏感性、阻尼-彈性特性：仿生纖維能夠承受高動靜態(tài)載荷，單根纖維能夠提拉一公斤重物，在160 mm/min的拉伸速度下，屈服應力達到150 MPa；阻尼效率達到96%，能夠有效耗散沖擊能量；濕度處理能夠促使50%的彈性形變恢復
圖 5 PANa-PAM水凝膠纖維的類蛛絲超收縮性能：仿生纖維具有熱、濕誘導超收縮性質，其中二次預牽伸纖維熱致收縮應力達到40 MPa，工作容量達到516 J kg-1，遠超過生物肌肉
綜合來說，該團隊最新研究工作（Nat. Commun., 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-66537-7）基于仿生設計理念，采用廉價易得的合成高分子聚合物，結合濕法紡絲與應變編程規(guī)；苽涔に嚕ㄟ^調控紡絲參數與溶液組成，精準復刻出類蜘蛛絲的多級結構，實現了兼具蜘蛛絲力學特性與多功能集成的連續(xù)化纖維制備。
近年來，該團隊圍繞水凝膠基高性能、多功能纖維開展了系統(tǒng)性研究，先后提出多項創(chuàng)新策略。針對單一組分聚電解質體系，團隊提出并發(fā)展了大分子構象調控策略，以聚丙烯酸鈉為模型，通過pH依賴的反溶劑相分離工藝，實現了大分子鏈由卷曲態(tài)向伸展態(tài)的精準調控，從而賦予單組分水凝膠纖維高度可調的極端力學性能（Nat. Commun., 2022, 13, 3369）。在此基礎上，團隊進一步提出規(guī)；苽鋵訝町愘|水凝膠纖維的策略，采用“微通道集成濕紡—反溶劑相分離”技術構建對稱三層結構復合纖維，結合聚丙烯酸鈉的應變誘導結晶機制，協(xié)同優(yōu)化了復合纖維的力學與導電性能（Adv. Mater., 2024, 36, 2409632）。針對纖維基熱電器件在拉伸性能與應變敏感性方面的局限，團隊開發(fā)了Janus螺旋水凝膠纖維，通過結構設計實現了超拉伸性、應變不敏感性與熱電功能的有機結合，為柔性可穿戴能源器件提供了創(chuàng)新解決方案（Nano Lett., 2025, 25, 6, 2509–2518）。此外，團隊聚焦功能成型工藝及穿戴/植入應用，系統(tǒng)綜述了水凝膠力學強化的分子網絡設計原理、結構設計策略、特殊力學功能調控方法、宏微觀成型技術及其在新興領域的應用突破，為高性能水凝膠器件的研發(fā)構建了從材料設計到工程化應用的研究框架（Adv. Mater., 2024, 36, 2309952）。
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiaoqiaowanggroup
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66537-7
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