水凝胶，含水量超过90%的“软材料”，在组织工程、柔性电子等领域潜力巨大。但传统水凝胶有两个“死穴”：一是力学性能差，一压就碎；二是容易失水变干，几天就失效。以蚕丝蛋白（SF）水凝胶为例——生物相容性好、可降解，但高含水量带来的是低强度，而失水又会导致脆性断裂。

厦门大学郭文熹教授、叶美丹教授团队提出了一种“离子介导水合工程”（IMHE）策略，通过可控脱水和再水化过程，将水凝胶中的自由水转化为结合水，从根本上解决了水凝胶“又软又易干”的难题。

成果于2026年8月19日发表于《自然-通讯》。

压缩强度提升186倍（达5.6 MPa），压缩形变接近100%，回弹性96.4%，低滞后（<5%），且在空气中稳定保持约80%含水量超过1年。

把“自由水”变成“结合水”

水凝胶中的水分为三类：自由水（最易流失）、中间水、结合水（最稳定）。传统水凝胶以自由水为主，随着水分蒸发，自由水率先逃逸，材料变干变脆。

IMHE策略的核心思路：先用冻干法将所有水移除，再用高吸湿性盐离子（如Ca²⁺） 从空气中“捕获”水分，通过强结合能将这些水转化为稳定的结合水。结合水牢牢固定在聚合物网络中，不参与冻结，也不易挥发——相当于给水凝胶装了一个“自锁水系统”。

Figure 1（IMHE策略示意图）

水状态验证：自由水几乎消失

拉曼光谱和低场核磁共振（¹H NMR）证实，HSF-MIN中自由水的特征峰几乎完全消失，水分子主要以结合水和中间水形式存在。DSC测试显示HSF-MIN在-40°C至40°C范围内无任何吸热峰，证明其中没有可冻结的自由水。经过IMHE处理后，HSF-MIN仍保留约80% 的水含量，且这些水全部以结合水形式稳定存在。

Figure 2（水状态表征）

性能：力学+稳定性双突破

力学性能：压缩强度从HSF-MAX的0.03 MPa跃升至5.6 MPa（提升186倍），压缩形变接近100%，卸载后几乎完全恢复。循环压缩50%应变下回弹性96.4%（低滞后<5%），5000次循环后应力保持率98%、残余应变仅0.6%。

Figure 3（力学性能）

长期稳定性：HSF-MIN在空气中放置1年以上仍保持约80%含水量，力学曲线几乎不变。而传统HSF-MAX在3天内完全脱水失效。FTIR和XRD证实HSF-MIN形成了更致密的Silk II构象和更强的分子链缠结。

Figure 4（不同盐离子效应及长期稳定性）

低滞后压力传感与肌电控制

基于HSF-MIN的超弹性和低滞后，团队构建的压力传感器在1500次循环中信号高度稳定，且能准确分辨20-400 Hz的高频振动（相对频率误差仅0.017%）。集成到机器人夹爪中，实现了基于力反馈的稳定抓取（木头、泡沫等不同硬度物体）。

Figure 5（压力传感器性能）

作为表皮电极，HSF-MIN与皮肤的接触阻抗低于商用凝胶电极，连续3天采集心电（ECG）和肌电（EMG）信号保持高信噪比。基于EMG信号的机器人灵巧控制系统可稳定夹持豆腐等易碎物体而不损坏——信号分类准确率100%。

Figure 6（表皮电极与肌电控制）

普适性验证

该策略在明胶水凝胶中也同样适用，表明IMHE是一种通用的蛋白质水凝胶增韧和稳定方法。

论文信息：Water-state control unlocks durable and elastic silk fibroin hydrogels，Nature Communications，2026，

DOI: 10.1038/s41467-026-76855-z

总结：

冻干移除自由水→高吸湿盐离子（Ca²⁺）从空气中捕获水分→转化为稳定结合水→压缩强度提升186倍（5.6 MPa）→回弹性96.4%/低滞后<5%→空气稳存1年不失水→低滞后传感+肌电控制100%准确率。