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皮膚、軟骨和肌腱等天然材料具有足夠的韌性，可以支撐我們的身體重量和運動，同時又具有足夠的彈性，不容易破裂。雖然我們認為這些特性是理所當然的，但要在合成材料中複製這種獨特的組合卻比聽起來要難得多。現在，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們已經開發出了一種新的方法，可以製造出更接近自然界材料的堅固、柔軟的複合聚合物，研究成果發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，可應用於軟體機器人和軟骨假肢植入物等領域。
通常情況下，合成水凝膠可分為兩種截然不同的材料類別。第一類包括窗戶玻璃和一些聚合物，它們堅硬且承重，但眾所周知，吸收能量的能力很差：即使是最輕微的裂縫也會在結構中蔓延。第二類材料的抗裂能力較強，但通常這類材料非常柔軟，無法承受重荷。然而，一些由生物材料和蛋白質（包括膠原蛋白）組合而成的天然複合材料既堅固又抗裂。它們的這些特性歸功於它們從納米到毫米尺度的高度精密的結構：例如，編織纖維被組織成更大的結構，而這些結構又排列成其他結構。
"我們距離能夠在這麼多不同的尺度上控制合成材料的結構還有很長的路要走，"EPFL軟材料實驗室的助理教授、論文的主要作者Esther Amstad說。然而，Matteo Hirsch和Alvaro Charlet這兩位在Amstad指導下工作的博士助理，從自然界中汲取靈感，設計出了一種構建合成複合材料的新方法。"在自然界中，基本的構件被封裝在隔間中，然後以高度本地化的方式釋放，"Amstad解釋說。"這個過程為材料的最終結構和局部組成提供了更好的控制。我們採取了類似的方法，將積木排列成隔間，然後將它們組裝成上層建築。"
首先，科學家們將單體封裝在水油乳液的液滴中，作為隔間。在液滴內部，單體結合在一起，形成一個聚合物網絡。此時，微粒子是穩定的，但它們之間的相互作用很弱，這意味著材料不能很好地結合在一起。接下來，像海綿一樣具有高度多孔性的微粒子被浸泡在另一種類型的單體中，然後材料被還原成一種糊狀。正如Alvaro Charlet所說，它的外觀 "有點像可以做成沙堡的溼沙"。
然後，科學家們將糊狀物進行了三維列印，並將其暴露在紫外線輻射下。這使得在第二步添加的單體發生聚合。這些新的聚合物與之前形成的聚合物交織在一起，從而使漿料變硬。這就形成了一種異常堅固、耐磨的材料。研究小組表明，一根直徑只有3毫米的管子可以承受高達10公斤的拉伸載荷和高達80公斤的壓縮載荷，而其結構完整性卻沒有受到破壞。
他們的發現在軟體機器人領域有潛在的用途，因為在這個領域，模仿活體組織特性的材料非常熱門。這一突破性的過程還可以應用於開發軟骨假體植入物的生物相容性材料。
論文標題為《3-D Printing of Strong and Tough Double Network Granular Hydrogels》。