Spatiotemporal toughness modulation in hydrogels through on-demand cross-linking

自愈水凝胶 材料科学 韧性 软机器人 纳米技术 生物相容性 生物医学工程 复合材料 计算机科学 执行机构 人工智能 工程类 高分子化学 冶金
作者
Jihun Lee,Rogério M. Castilho,Sungmin Nam
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:11 (41): eadz0440-eadz0440
标识
DOI:10.1126/sciadv.adz0440
摘要

Tough hydrogels are promising for soft robotics, bioelectronics, and tissue adhesives due to their exceptional resilience and biocompatibility, yet precise spatiotemporal control of their mechanics remains challenging. Here, we present a hydrogel platform that enables spatiotemporal modulation of toughness through a latent ionic cross-linking mechanism. By embedding calcium carbonate (CaCO 3 ) microparticles in alginate/polyacrylamide double-network hydrogels, we create a system where localized calcium release and thus ionic cross-linking can be programmed in both space and time. Spatial control is achieved by direct ink writing of CaCO 3 , while temporal activation is triggered by glucono-δ-lactone, a biocompatible acidifier that releases calcium on demand. This strategy allows user-defined tuning of stiffness and toughness, enabling fabrication of three-dimensional (3D) hydrogels with tailored mechanical profiles. The resulting materials offer a versatile platform for anisotropic impact shielding, directional strain sensing, and 3D-printed tissue adhesives, representing a paradigm shift for adaptive, reconfigurable, and multifunctional soft materials.
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