張拉整體結構是一種在自然界和建筑設計中常見的精巧結構。它們由剛性的、承受壓縮的組件和連續的張力網絡交織而成。張拉整體結構的關鍵優勢在于其實現了高強重比和優異的機械性能。通過維持整個網絡中張力的連續分布，張拉整體結構能夠有效分散外力并降低局部應力集中，從而實現高剛度和韌性。此外，張拉整體結構具有雙模量特性，這即在同一力軸線上，其拉伸方向的剛度顯著高于壓縮方向。
圖1通過水凝膠內原位氨基酸晶體棒生長構建張拉整體結構的原理示意圖。
近期，南京大學曹毅/王煒/薛斌團隊聯合北海道大學龔劍萍教授，受到細胞內張拉整體結構的啟發，通過模擬生物系統的機械化學原理，成功將張拉整體結構整合到水凝膠中。作者通過酶促反應誘導氨基酸晶體在聚合物網絡中自然生長，使水凝膠內部形成氨基酸晶體棒與加載了預應力的聚合物網絡機械互鎖的張拉整體結構。這種結構在不顯著犧牲高含水量的情況下顯著提高了水凝膠的機械性能，解決了傳統水凝膠網絡中強度、剛度和含水量之間的固有矛盾。同時，這種方法制備的水凝膠表現出獨特的雙模量機械響應，其拉伸與壓縮楊氏模量比高達13，為組織工程等領域仿生材料的開發提供了全新思路和策略。該工作以“Hydrogels with prestressed tensegrity structures”為題發表在《Nature Communications》上。通訊作者為南京大學曹毅教授、王煒教授、薛斌副教授和日本北海道大學龔劍萍教授。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃和江蘇省自然科學基金等項目的支持。
圖2 酪氨酸晶體及具有張拉整體結構水凝膠（TG水凝膠）的表征。
圖3 TG水凝膠內聚合物網絡中預應力的表征。
圖4 TG水凝膠的力學性質表征。
圖5 TG水凝膠內張拉整體結構的形成動力學。
圖6 TG水凝膠內部張拉整體結構的形成以及凝膠機械性能的分子動力學模擬。
參考生物系統中細胞外基質和細胞骨架的結構，作者提出了一種結合化學合成與機械工程的方法，利用高剛度的棒狀氨基酸晶體組件和柔性聚丙烯酰胺網絡協同構成張拉整體結構。具體而言，水凝膠內部的晶體在原位生長過程中自然地通過結構演變引發機械性能的突變。通過SEM圖像等實驗證據，可以觀察到水凝膠內部互鎖晶體結構的形成；熒光測定實驗則直接表明了由于晶體生長引起的內部張力的變化。張拉整體結構的存在使凝膠實現了約30 MPa的拉伸楊氏模量，并表現出顯著的雙模量特性。分子動力學模擬進一步揭示了機械化學相互作用如何驅動張拉整體結構的形成。
與傳統的纖維增強或雙網絡設計等方法相比，該方法結合了機械化學控制與分層自組裝，提供了一種在機械加載時立即轉移應力的有效手段，使材料即使在顯著應變下也能保持結構完整性。該研究為定制高性能且高含水量的仿生水凝膠鋪平了道路，適用于組織工程和軟機器人等需要同時具備機械穩定性和高含水量的應用場景。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58956-3
