强度和韧性是材料最重要的性能指标，弹性体作为广泛使用的材料之一，常常需要二者兼具。然而，高强度和高韧性二者通常是相互排斥的。现有的同时增强弹性体强度和韧性的方法主要是增加能量耗散。例如，加入纳米填料或者构建稳定且坚固的共价交联网络结构。然而这些方法存在粒子分散不均或会降低材料延展性等问题。聚氨酯（PU）弹性体因其广泛的可调性和适用性而备受关注。近年来，研究人员广泛关注于通过在PU弹性体中引入氢键相互作用来增强其性能。然而，在PU弹性体中过强的氢键相互作用往往会导致较大的硬段堆积，从而发生应力集中并降低能量耗散效率。因此，优化聚氨酯弹性体内部氢键相互作用的强度和分布被认为是进一步提高力学性能的可行途径。此外，除了高机械强度外，其他性能（例如可降解性、生物安全性）对于PU弹性体在生物医学领域的一些特殊应用可能也很重要。
基于此，来自西安交通大学张彦峰研究员采用无溶剂聚合，通过聚己内酯二醇(PCL)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和N,N-双 (2-羟乙基)草酰胺(BHO)反应制备出了具有极高机械强度和韧性的可生物降解PU弹性体。软硬微畴的优化分布、硬相微畴内部较强的氢键相互作用、草酰胺基团与酯键之间较强的氢键相互作用均阻碍了PCL链段的结晶，有利于在外力作用下的能量耗散。该PU弹性体具有极佳的机械性能，例如，92.2 MPa的断裂强度、1.9 GPa的断裂真应力、~1900% 的断裂伸长率和480.2 MJ·m-3的超高韧性。此外，该弹性体还具有较高的生物相容性和可生物降解性，可通过3D打印技术加工成疝修补片，在体内生物医学应用中显示出巨大的潜力。该论文以题为“Extremely Strong and Tough Biodegradable Poly(urethane) Elastomers with Unprecedented Crack Tolerance via Hierarchical Hydrogen-Bonding Interactions”发表在Advanced Materials上。作者对弹性体的应力-应变曲线进行了测量，结果如图3所示。PCL-IPDI-BHO的机械强度高达92.2 MPa，断裂伸长率为1932.2%，均显着高于PCL-IPDI、PCL-IPDI -HHP和PCL-TDI-BHO弹性体。BHO的加入提供了更多的氢键和物理交联点，丰富的氢键可以作为牺牲键通过断裂和重组耗散能量。此外，PCL-IPDI-BHO弹性体表现出极高的韧性，达到480.2 MJ·m-3，远远超过最坚韧的蜘蛛丝等天然材料(354 MJ·m-3)和合成橡胶等人造材料(100 MJ·m-3) 。对弹性体以50 mm·min-1的速度进行100%应变的固定载荷的连续1000次循环拉伸，以评估弹性体的耐疲劳性，结果如图2所示。随着循环次数的增加，最大拉伸力趋于稳定，表明氢键在断裂和快速缔合之间达到了动态平衡。弹性体表现出良好的稳定性和抗疲劳性。作者还进一步测试了应变增加的循环拉伸。结果表明，能量耗散在更高的应变下发生了增加。作者认为，随着变形的增加，氨基甲酸酯键的弱氢键和强有序的氢键域的逐渐断裂形成了梯度能量耗散。抗撕裂性和抗穿刺性是弹性体最重要的机械性能指标之一。如图4所示，PCL-IPDI-BHO 弹性体即使在1 mm大的缺口下也能达到1516.9 %的断裂伸长率和35.4 MPa的断裂强度，断裂能高达322.2 kJ· m-2，具有出色的抗撕裂性能。此外，PCL-IPDI-BHO弹性体薄带在有缺陷后仍可举起相当于自身重量20,000倍的物体。作者认为这主要是PCL主链中草酰胺键和大量的酯键之间较强的氢键相互作用促进了样品缺口处的应力传递和分散到整个弹性体网络结构中，从而有效地阻止了裂纹扩展。PCL-IPDI-BHO弹性体的穿刺力为23.7 N，最大位移达到50.6 mm，具有出色的抗穿刺性能。此外，线性结构和可逆的氢键相互作用还有利于弹性体的修复和回收。作者首先通过熔融挤出将PCL-IPDI-BHO弹性体加工成直径为1.75 mm的细丝然后使用3D打印技术制作形态结构均匀透明的疝修补片。该疝修补片可承受的最大纵向拉伸强度为38.1 N·cm-1，横向拉伸强度为40.3 N·cm-1。作者将该疝修补片浸泡在37℃的5 mL降解溶液（脂肪酶的PBS 缓冲液，pH为7.4，浓度为5 mg·mL-1）中，以研究PCL-IPDI-BHO的降解。结果表明，该弹性体能够满足疝修补片缓慢降解的需求。随后，作者采用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物 (MTT) 测定和活/死细胞染色法评估了疝修补片的生物相容性。结果表明，PCL-IPDI-BHO弹性体样品表现出良好的细胞相容性。作者通过构建多级氢键相互作用，得到了具有高强度、高韧性、高抗撕裂性和抗穿刺性的可生物降解聚氨酯弹性体。该弹性体可以通过3D打印技术制作疝修补片，在体内生物医学应用领域显示出巨大潜力，此外还有望应用于国防工业、柔性电子、能量吸收等方面。投稿、荐稿、爆料：editor@polysci.cn