相分离高性能水凝胶：从设计原理到应用

【摘要】

水凝胶是下一代生物电子器件、软体机器人和生物医学设备的关键材料，其力学性能直接决定器件性能与可靠性。在众多增强策略中，相分离通过在凝胶网络中构筑受控的非均质结构，实现了超越单纯共价键与链缠结的力学增强。通过调控聚合物富集相与溶剂富集相的分离过程，可形成兼具强度、弹性和动态响应特性的多相网络。本文综述了相分离高性能水凝胶的设计进展：首先介绍相分离的热力学基础（Flory–Huggins与Flory–Rehner理论）及共聚、共混、温度、溶剂等诱导途径；进而阐述相分离形貌（液滴–基体与双连续结构）对韧性、低滞后、抗疲劳、各向异性、刺激响应与水合粘附等关键性能的调控机制；随后介绍其在高压止血密封、低阻抗生物电子、可灌注组织工程支架和自适应软体机器人等领域的典型应用；最后讨论原位表征与规模化制备等挑战，以及机器学习辅助设计等未来机遇。

【关键词】水凝胶；相分离；双连续网络；增韧；抗疲劳；生物电子；软体机器人

1 引言

水凝胶是由亲水聚合物网络和大量水构成的软材料，兼具固体般的力学完整性与液体般的渗透性，被视为生物组织的理想人工类似物，在组织工程、软体机器人、生物电子与药物递送等领域应用广泛。然而，传统均质水凝胶网络结构均匀，受力时易产生应力集中并发生不可逆断裂，力学上表现为弱、脆、功能受限；同时缺乏生物组织的分级、多相结构，难以实现动态自适应行为。如何设计兼具韧性、抗疲劳性和环境适应性的水凝胶，一直是材料科学领域的持续性难题。

相分离是聚合物溶液或反应体系在热力学不稳定驱动下自发分离为聚合物富集相与溶剂富集相的过程。当该过程与网络形成同步发生，并通过交联或结晶将其动力学冻结时，即可获得含有不同组分、模量和水含量的互连非均质结构：聚合物富集相提供承载强度与韧性，溶剂富集相贡献柔顺性与可逆能量耗散，两相协同变形可重新分配应力、延缓裂纹扩展。这一策略为从分子设计跨越到宏观性能提供了桥梁。

针对以上问题，牛津大学的Shao Yue、Ma Yiming、Molly M. Stevens和香港中文大学的Shao Baihao在Advanced Science期刊上发表了题为“Harnessing Phase Separation for the Development of High-Performance Hydrogels"本文旨在建立通过受控相分离设计高性能水凝胶的理性指南。文章首先概述控制相分离的热力学机制与多种相分离路径及其特征形貌，重点阐述介观组织如何决定韧性、低滞后、抗疲劳与各向异性等力学性能，并赋予热切换、水下粘附等响应行为；随后介绍相分离在生物医学与工程领域的关键应用；最后总结挑战并展望机器学习辅助设计等未来方向（图1）。

图1 相分离水凝胶的概念框架与研究轨迹。（A）仿生设计、基础理论、关键性能与应用示意图；（B）文献计量趋势（Web of Science数据，检索于2026年1月16日）

2 相分离的基本原理与设计基础

2.1 生物启发

自然界为相分离水凝胶提供了丰富的设计灵感。细胞内无膜细胞器通过液–液相分离（LLPS）形成，其热力学模式分为分离型与缔合型两类：分离型LLPS源于不同大分子组分间的相互排斥，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖体系形成的水性两相体系（ATPS）；缔合型LLPS（即凝聚）则由静电、氢键、疏水及π–π堆积等非共价吸引驱动，使溶质富集相与贫乏上清液共存。细胞利用此类动态凝聚体作为"微反应器"，实现信号转导、转录调控等功能。

在力学层面，肌肉与肌腱提供了"内部分级异质性决定宏观力学"的范例。肌联蛋白（titin）的免疫球蛋白折叠域与无序片段交错排列，在外力下依次解折叠以耗散能量、卸载后快速重折叠恢复弹性，是分子尺度的"相分离"类比；肌腱则由承重的I型胶原纤维嵌入水合蛋白聚糖基质构成多相复合结构，其应力–应变曲线呈现"趾区—线性高刚度区"的特征响应，兼具高强度、回弹性和优异的抗疲劳性（图2）。这些生物策略表明：利用相分离构筑刚柔并济、可逆耗能的多相结构，是获得高性能水凝胶的有效途径。

图2 自然界的生物启发与分级相分离。（A）生物分子凝聚体的功能与LLPS机制（IDR： intrinsically disordered regions）；（B）肌联蛋白Ig8单分子力谱（上）与仿生蛋白水凝胶的宏观应力–应变曲线（下）；（C）肌腱/韧带的分级结构及其应力–应变曲线

2.2 相分离的热力学驱动力

聚合物混合体系相行为的经典描述是Flory–Huggins混合自由能理论。由于聚合物聚合度N很大，混合熵项可以忽略，焓项χφpφs主导相行为，因此微小的不利焓变即可克服有限的熵增，驱动去混溶。Flory–Huggins相互作用参数χ是核心控制变量：χ<0.5对应良溶剂条件，体系均匀混溶；χ>0.5则聚合物–溶剂相互作用不利，热力学上促进相分离。例如，向水凝胶中引入长烷基链（C18）可增大有效χ值，驱动疏水微相分离。

实际水凝胶中聚合物链被交联，网络变形会引入弹性自由能惩罚，Flory–Rehner理论通过叠加弹性项对此进行修正。交联密度v增大使弹性自由能曲线变陡，抑制大幅组分涨落，稳定均匀相；低交联密度体系链运动自由度大，更易形成微相分离结构。此外，非溶剂渗入凝胶会降低聚合物–溶剂亲和力、增强链间缔合，将热力学平衡推向去混溶，例如将亲水共聚网络浸入丙酮、乙醇等非溶剂中，可快速脱溶剂化形成微相，并通过物理交联冻结粗化，获得可调孔结构与力学增强（图3）。

图3 交联密度与溶剂对聚合物网络相分离的影响。（A、B）不同交联性质与溶剂类型下的凝胶自由能景观；（C）非溶剂比例增大引起凝胶体积、光学性质与聚合物体积分数剧变

2.3 相分离的诱导途径与形貌控制

共聚诱导相分离：将化学性质不同的单体共价连接在同一主链上，把不相容性"内嵌"于分子内，可产生纳米至微米尺度的有序或无序形貌。组氨酸甲基丙烯酰胺与甲基丙烯酸共聚时，咪唑与羧基氢键结合、疏水主链聚集，使有效χAB增大，触发疏水微相分离；Gong等通过调控自由基共聚的溶剂组成（DMSO/乙腈），控制阳离子单体溶解度与链段分布，实现从均质透明网络到"疏水畴分散于亲水基体"非均质网络的转变，所得水凝胶溶胀率降低、刚度提高（图4A、B）。

聚合物共混诱导相分离：两种独立聚合物的混合物因热力学不相容而分离，仅当氢键、离子络合等特异性相互作用补偿焓惩罚时才可混溶。例如，半结晶聚乳酸（PLA）物理共混进入PEGDA亲水网络，在水中溶胀时疏水PLA段聚集为约5μm的半结晶微畴；PEG-PU与PCL-PU共混体系中引入氢键增强剂咪唑烷基脲，可调节界面能、抑制宏观分离，形成孔径约6μm的双连续互锁结构（图4C、D）。

图4 共聚与共混诱导的相分离形貌。（A、B）调控聚合溶剂获得不同网络结构的疏水共聚物水凝胶及激光显微图像；（C、D）PEG-PU/PCL-PU氢键互锁双连续相结构的制备与SEM图像

温度诱导（LCST/UCST）转变：χ随温度变化，使相分离可由热刺激触发。低于LCST时聚合物与溶剂混溶，高于LCST则去混溶——聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）的LCST约32°C，升温使链塌缩聚集，均质PNIPAM水凝胶相分离后杨氏模量提升逾10倍；PNIPAM/PDMA网络在等容条件下发生温度响应微相分离，形成周期约88nm的富PNIPAM畴，剪切模量由1kPa升至10kPa、断裂能由30增至1000J·m⁻²，且滞后低、循环稳定。相反，UCST体系低温缔合、高温混溶，如聚磺基甜菜碱两性离子纳米复合凝胶，通过调节电荷间烷基链长度可将UCST在约16°C至85°C间调控，并兼顾力学性能（图5）。

图5 温度响应型相分离。（A）LCST与UCST型聚合物相图（双节线/旋节线）；（B、C）PACA-HPC水凝胶在酸/碱条件下的可逆温度响应与LCST/UCST双重行为

相分离形貌由去混溶的热力学路径与相分离–网络固定竞争的动力学共同决定，主要分为两类：双节线（成核生长）分解发生在亚稳区，少数组分形核长大为液滴，得到经典的液滴–基体型形貌；旋节线分解发生在绝对不稳定区，组分涨落自发连续放大，形成互穿双连续网络，随后经界面张力驱动的流体动力学粗化，最终通过"渗流—簇"转变或Ostwald熟化长大。对水凝胶而言，玻璃化、结晶与凝胶化可随时冻结这一粗化过程。例如，甲基丙烯酰化葡聚糖（DexMA）在PEG存在下聚合，5wt.%PEG时发生旋节分解，形成孔约41μm、喉道约11μm的互连双连续大孔结构；PEG比例过高则粗分离、利于液滴形核聚并。通过黏度与光照强度调节聚合动力学，可精确选择相分离路径（图6）。

图6 去混溶的热力学路径。（A）二元体系相图（实线双节线、虚线旋节线）；（B）旋节分解示意；（C）成核生长示意

2.4 相分离在水凝胶中的核心作用

相分离是一种设计原则，它使水凝胶能够从分子层面简单的配方获得复杂多功能结构：凝胶化过程中的瞬态浓度涨落被编码为空间上分离的聚合物富集相与溶剂富集相畴，将热力学不稳定性转化为功能性微结构。与应力、离子、溶剂均匀分布的均质凝胶不同，相分离引入了组分、刚度与迁移率的非均质性，产生了均匀交联或简单填料无法实现的涌现性能。双连续形貌同时建立承重与耗散通路——聚合物富集相构成连续耗能骨架以分配和分叉裂纹，溶剂富集相作为柔性缓冲吸收应变而不破裂，并伴随显著抗疲劳性；可逆相分离则使畴在热或化学刺激下可逆形成与消解，实现模量、透明度与溶剂吸收的可逆调控。此外，双连续形貌还提供渗流溶剂富集通道，实现快速离子传导或分子扩散，同时通过聚合物富集骨架维持力学稳健性，这对生物电子、执行器和组织支架至关重要。

3 相分离水凝胶的关键性能

3.1 韧性

韧性以断裂能Γ表征。依据Lake–Thomas模型，均质单网络凝胶的断裂能受限于裂纹极薄过程区内的链断裂，上限仅为10¹–10²J·m⁻²，而生物软组织（如关节软骨约10³J·m⁻²）通过多相复合微结构将断裂能提高2–3个数量级。早期双网络（DN）凝胶即通过引入受控非均质性将韧性提升至10⁴J·m⁻²：刚性脆网络牺牲性断裂，柔性韧网络维持完整并重新分配应力。相分离体系通过聚合物富集相与溶剂富集相的分工实现类似机制。

代表性的溶剂诱导相分离增韧工作包括：Gao等采用两步溶剂交换结合湿退火处理PVA，甘油作为不良溶剂使PVA相分离，湿退火促进聚合物富集相内大分子重构与晶粒生长，获得拉伸强度11.2MPa、断裂能25kJ·m⁻²、疲劳阈值约1.2kJ·m⁻²的韧凝胶，可支撑自重12000倍以上的重物（图7A–C）；Zheng等利用反Hofmeister序列的特异性抗衡离子（Cl⁻

图7 相分离实现韧性水凝胶。（A–C）PVA溶剂交换与湿退火工艺、疲劳阈值Ashby图及承重演示；（D、E）特异性抗衡离子诱导PAA相分离及力学曲线；（F–H）光触发瞬态–持久自由基偶联机理、力学性能与3D生物打印

3.2 低滞后

高韧性往往伴随高滞后与循环损伤。双连续结构若两相均为连续、可弹性变形的网络且界面内聚结合，则变形时应力被重新分配、界面不破裂、畴协同变形，可实现高断裂能与低滞后的兼顾。Gong等通过纳米力学成像与原位SAXS揭示聚两性电解质凝胶自发形成100–500nm尺度的硬/软双连续网络，具有多尺度耗能机制；Suo等提出"冻结相分离水凝胶"概念：在预成型的疏水聚丙烯酸乙酯（PEA）网络中聚合亲水PAA，两网络化学差异驱动去混溶，拓扑缠结将粗化冻结在纳米尺度，所得凝胶含水76wt.%却实现拉伸强度6.9MPa、韧性1.7kJ·m⁻²、循环滞后低至16.6%（图8A–C）。

蛋白质交联剂为低滞后提供了分子层面的方案：以串联重复GB1聚蛋白作为PAA网络的共价交联剂，折叠蛋白域在局部应力超过约200pN时顺序解折叠、卸载后重折叠，形成可逆的微观"弹性铰链"。所得PAA-G8凝胶承受1100%应变，在500%应变下循环5000次滞后仍低于5%，疲劳阈值约126J·m⁻²（图8D、E）。

图8 相分离实现低滞后水凝胶。（A–C）PEA-PAA冻结相分离水凝胶的制备、SEM形貌与力学性能；（D、E）PAA-G8聚蛋白交联水凝胶的结构与5000次循环低滞后性能

3.3 抗疲劳性

实际应用（人工软骨、软执行器、柔性电子）要求在数百万次循环下保持力学稳定。传统均质共价网络在裂纹纳米级过程区内应力集中、不可逆键断裂逐循环累积，疲劳阈值Γ0仅约10J·m⁻²。相分离通过可逆耗能结构使应力非局域化、提高裂纹扩展能垒。PVA结晶凝胶中，聚合物–溶剂去混溶形成固体（晶片）–液体（水合非晶区）双连续形貌，晶片作为弹性交联、水合基体分散应力，疲劳阈值超过1000J·m⁻²（含水量>80wt.%），单缺口试验3万次循环无裂纹扩展（图9A–C）；仅0.3wt.%芳纶纳米纤维（ANF）即可通过微相分离将模量提升近30倍、疲劳阈值从约3升至30J·m⁻²，并保持3D打印性与生物相容性（图9D–F）。

聚两性电解质凝胶经聚合诱导相分离形成离子富集/水富集双连续网络（畴尺寸30–200nm），循环纯剪切加载呈现慢速扩展（<0.1μm/循环）与快速扩展两个阶段，本征疲劳阈值约50J·m⁻²，转变阈值达200–250J·m⁻²，原位双折射显示裂纹钝化与应力重分布在数百微米尺度进行，比均质凝胶的过程区大一个数量级——抗疲劳性源于突破双连续畴所需的能量而非单链断裂（图9G–I）。

图9 相分离增强水凝胶抗疲劳性。（A–C）不同结晶度水凝胶的疲劳裂纹扩展示意、疲劳阈值与单缺口验证；（D–F）ANF复合水凝胶制备、裂纹扩展速率曲线与3D打印；（G–I）聚两性电解质双连续网络结构、SAXS图案与疲劳裂纹扩展行为

3.4 各向异性

生物组织在拉伸时先柔顺变形、后显著硬化（应变硬化）并伴随方向各向异性，源于其纤维/片层状相分离组织。Gong等发展的受限干燥（DCC）工艺将海藻酸盐等刚性多糖凝胶固定长度后缓慢蒸发水分，约束收缩施加单轴张力使链沿长轴排列，聚合物浓度约30wt.%时发生相分离并聚集成纳米原纤，进而组装为多级纤维层级；对齐的Ca-海藻酸凝胶杨氏模量约200MPa、断裂应力约22MPa、断裂功约31MJ·m⁻³，可与天然韧带媲美（图10A–C）。

PVA纳米原纤可在水中经数千次机械训练重排半结晶畴，SAXS与共聚焦证实原纤逐步沿拉伸轴对齐，疲劳阈值约1.25kJ·m⁻²、拉伸强度约5MPa、模量约200kPa，接近天然肌肉；He等将定向冷冻铸造与盐析协同，PVA水凝胶在保留70–95wt.%水的同时实现拉伸强度23MPa、韧性210MJ·m⁻³、疲劳阈值约10kJ·m⁻²，纳米原纤网络在循环加载下可逆取向致密化，裂纹沿对齐界面偏转（图10F–H）。双向冰模板法通过楔形聚二甲基硅氧烷引入第二温度梯度，将模量各向异性比在1.6–8.3间连续可调。

图10 相分离水凝胶的各向异性排列。（A–C）DCC法制备高度对齐纤维状海藻酸凝胶及其结构表征与应力–应变曲线；（D、E）PVA机械训练诱导原纤取向与SAXS/共聚焦分析；（F–H）冷冻铸造+盐析PVA的分级各向异性结构、力学性能与原纤网络

3.5 响应性

处于混溶极限附近的相分离体系可对温度、pH等微小扰动发生可逆去混溶，将力学、光学、电学与粘附响应耦合到外部刺激。钙乙酸–PAA凝胶在约32°C发生LCST型旋节分解、约50°C发生玻璃化转变，乙酸根脱水强化离子配位与疏水缔合，实现无体积损失的协同相分离：软凝胶数秒内硬化成刚性塑料，模量提升近3个数量级、强度提高80倍，冷却即可逆恢复（图11A–C）。PACA-HPC凝胶则通过pH门控切换LCST与UCST行为：酸性条件下羧基与HPC氢键缔合呈现UCST型（低温不透明、升温透明），中性条件氢键解离恢复LCST行为，可逆转变同时改变透明度与力学刚度，可用于热致变色智能窗与信息加密（图11D、E）。

图11 相分离赋予水凝胶刺激响应性。（A–C）钙乙酸–PAA凝胶的分子结构、瞬时热硬化机理与不同温度下的相图及拉伸测试；（D、E）PACA-HPC凝胶的温度相关透过率与热响应图案

3.6 水合粘附

水合粘附韧性Γ=Γi+Γd，Γi为本征界面功（取决于真实接触面积与界面特异性相互作用），Γd为体相耗散（源于裂纹扩展过程中凝胶的非弹性变形与微结构能量损失）。均质凝胶界面水层阻碍紧密接触（Γi低）、高度溶剂化网络缺乏耗能机制（Γd低），水下粘附困难。相分离通过溶剂交换或凝聚在接触处致密化聚合物、排开水分子以提高Γi，同时形成冻结的无溶剂渗流骨架提供牺牲畴与裂纹偏转通路以放大Γd。

例如，邻苯二酚功能化PAA与季铵化壳聚糖的DMSO溶液挤入水相后发生水–DMSO交换，触发去质子化、复合凝聚、相转化与界面多孔固化，约25秒内形成贫溶剂皮层，粘附可抵抗30bar高压水射流冲刷；PAAm凝胶在乙醇/水混合液中平衡时，乙醇比例增大诱导受控相分离，聚合物体积分数从0.065增至0.371，表面聚合物密度与网络链密度同步提高，90°剥离韧性从约2.2J·m⁻²跃升至约1.1×10³J·m⁻²，且100余次粘附/脱附循环保持稳定（图12）。Gong等进一步采用数据挖掘与机器学习从粘附蛋白数据库中筛选六种氨基酸丙烯酸酯单体库，de novo设计统计共聚物水凝胶，溶剂交换后形成微相分离耗散骨架，玻璃上水下粘附应力超过1MPa，验证了Γ=Γi+Γd框架：疏水/芳基富集与适度阳离子含量提升Γi，聚集贫溶剂网络提供Γd。

图12 相分离实现水合粘附。（A–C）溶剂交换辅助湿粘附的分子结构与过程、玻璃承重演示及30bar水射流抵抗；（D–G）乙醇诱导PAAm相分离实现脆性水凝胶的强韧粘附：聚合物体积分数/溶胀比、FTIR信号、循环水下粘附性能

3.7 局限性

相分离水凝胶也面临固有局限：其结构多为动力学冻结的非平衡态，会随时间经畴粗化、溶剂再分配或界面重组而演化，导致力学性能渐变、尺寸稳定性与性能可预测性受损；循环载荷下相界应力集中可能加速界面疲劳与承载畴不可逆损伤，大耗能常伴随网络损伤（滞后、软化、恢复延迟）；温度、水合状态、离子强度或溶剂组成的波动会改变相稳定性与重组动力学，脱水–再水化循环可能放大相衬度或诱发不可逆聚集。应对策略包括强化界面内聚、引入分级或共价锚定相界、动力学锁定亚稳结构以及设计自适应自调节机制。

4 相分离水凝胶的应用

4.1 生物医学应用

4.1.1 生物粘合剂与止血

在血液浸润、可变形组织上实现快速止血密封要求数秒内成键、耐受生理压力、强粘附与低溶胀兼备。相分离通过同时提高Γi与Γd突破传统密封胶（纤维蛋白胶、氰基丙烯酸酯）慢固化、脆断与组织刺激的局限。在聚离子复合物（PIC）网络中引入多齿氢键给体（2-乙烯基-4,6-二氨基三嗪）并诱发溶剂诱导相分离，粘附强度达174kPa，同时保持1.2–2.7MPa拉伸强度与450%延伸率；Zhao等通过PVA结晶驱动相分离实现抗疲劳凝胶–固体粘附，干退火诱导有序纳米晶畴并在界面形成致密氢键锚固，涂层界面疲劳阈值Γ0≈800J·m⁻²，水中G=800J·m⁻²时3万次循环无界面裂纹扩展，浸泡90天性能稳定，且在天然软骨上滑动5000次保持低摩擦（图13A–C）。

Ma等构建湿度编程双层水凝胶：PVA经湿度诱导相分离与DMSO–水交换形成多孔互锁表面与结晶贫溶剂骨架，表面原位UV固化PAA-N⁺湿粘附皮层，溶胀比低至0.29、界面韧性303J·m⁻²、耐爆破压493±39mmHg，离体与在体实验证实可密封心脏、肠道与肝脏损伤，实现免缝合快速止血与术后防粘连（图13D–G）。Janus粘附凝胶则利用凝聚（LLPS）实现组织侧强粘附、外侧防粘：PEI/TA/TiO₂凝聚凝胶在组织界面经糖萼阴离子驱动反离子交换与脱水致密化形成富聚合物贫溶剂皮层，暴露面则以硫辛酸二硫键交换富集低能二硫戊环/TiO₂畴、抑制Γi，实现不对称粘附，且兼具抗UV-B防晒功能（图13H–K）；乳液模板反蛋白石结构色Janus水凝胶在组织面富集羧基、上表面防粘，实现"密封–感知"一体化（图13L、M）。

图13 相分离水凝胶用于生物粘合剂与止血。（A–C）PVA结晶驱动抗疲劳粘附机理、GIWAXS表征与软骨滑动耐久性；（D–G）PVA/PAA-N⁺双层水凝胶的相分离结构、溶胀与爆破压测试、离体/在体密封止血；（H–K）PEI/TA/TiO₂ Janus凝胶的制备、不对称粘附机理与NaHCO₃可逆脱附；（L、M）反蛋白石结构色Janus水凝胶的多器官粘附与肝脏止血

4.1.2 生物传感与生物电子

生物电子界面需匹配组织力学（1kPa–10MPa）与水合状态、建立稳定离子–电子耦合，但均质凝胶难以同时提供低而稳定的接触阻抗、大应变高导电与汗液/血液中长期稳定。相分离通过将均质网络重组为聚合物富集相与溶剂富集相，解耦材料的柔软性与输运/界面性能：贫溶剂皮层脱水稳定组织接触，内部渗流导电骨架高效传输电荷。PEDOT:PSS是典型代表，其本征PEDOT/PSS复合形貌限制导电与稳定，非溶剂、酸或离子交换处理驱动相分离，使PEDOT富集畴自组装形成渗流导电通路、PSS贫化表面抑制溶胀，显著降低体相与接触阻抗，同时保留水合通道以维持组织级模量。

激光诱导相分离（LIPS）以连续波激光扫描金纳米颗粒种子PEDOT:PSS薄膜，毫秒级光热驱动去混溶与构象重组，PEDOT富集畴扩展互连、绝缘PSS减少，经选择性清洗获得分辨率低至6μm的微电极，PBS中电导率高达670S·cm⁻¹、5000次15%应变循环电阻稳定；小鼠海马切片上成功记录单单元峰电位与局部场电位，坐骨神经袖套电极在0.4V即引发清晰肌肉募集（金电极需2V）（图14A–E）。墨水级调控方面，水/乙醇预混PEDOT:PSS+聚氨酯（PU）墨水在干燥过程穿越旋节线分解窗口形成双连续网络，电导率>10S·cm⁻¹、延伸率>400%、韧性kJ·m⁻²级、模量亚MPa，阻抗对应变不敏感，全水凝胶器件堆栈打印并实现在体心外膜阵列28天稳定记录、坐骨神经56天招募曲线几乎不变（图14F–H）。酸锁定方法以强酸同时凝胶化PVA/PVP主体并质子化PSS诱导PEDOT:PSS相分离，获得S·cm⁻¹级导电与10²–10³kPa组织级模量；非溶剂自封装法形成PEDOT富集芯与PSS富集壳，实现10–20kPa超软、>300%可拉伸的ECG记录与低阈值心脏起搏（图14I–M）。

图14 相分离水凝胶用于生物传感与生物电子。（A–E）LIPS微电极的制备、表征、分辨率/循环稳定性、神经记录与坐骨神经刺激；（F–H）双连续PEDOT:PSS/PU墨水凝胶的电学–力学协同性能与在体电生理记录；（I–K）酸锁定双连续凝胶的制备、导电性与运动传感；（L、M）PEDOT核–PSS壳自封装凝胶的制备与ECG/起搏应用

4.1.3 组织工程

相分离通过控制热力学驱动力、冻结动力学与交联密度，可部分解耦并调节凝胶的力学、输运与生物活性，生成可灌注多孔通道。缔合型LLPS（凝聚）尤为生物友好：Xie等采用tropoelastin启发的极简方案，赋予明胶适量萘基疏水基团与光交联基团，在水相中经多价π–π与疏水相互作用发生液–液凝聚，微米级液滴融合成熟，短暂UV曝光按需冻结凝聚体为异质凝胶，形成细胞尺度的刚柔相间畴；人间充质干细胞（hMSCs）铺展更快、形成成熟黏着斑与核YAP转位，粘附与力学转导基因上调——介观分区而非平均模量是力学传感的主要驱动力（图15）。同一团队进一步以热响应大分子与光固化明胶共混，升温LLPS使热聚合物富集为致密液滴，光凝胶化将交联空间分区，水下纳米压痕证实0.2–10kPa模量景观以数十微米周期变化，刚度微异质性通过talin介导微管–肌动蛋白串扰、αTAT1依赖微管乙酰化与自噬流促进成骨分化，颅骨缺损模型骨再生优于均质对照。Yasue等利用明胶Michael凝胶化过程中的缔合LLPS，以四重氢键（UPy）驱动瞬态致密相凝聚，凝胶后选择性溶解UPy富集牺牲相形成单位数至数十微米毛细状互连微孔，兼顾可注射性与快速传质，在容积性肌肉缺损模型中改善移植物存活与宿主成肌细胞浸润。

图15 LLPS水凝胶用于组织工程。tropoelastin启发的极简模型（A）、凝聚液滴融合与成熟（B）、凝聚–凝胶转变（C）、异质结构与力学分区（D）以及hMSC铺展、黏着斑与YAP转位（E）

ATPS模板策略利用PEG/葡聚糖水性两相乳液构建力学对比且共价集成的凝胶：两相均在液态乳液态交联，形成界面力学显著强于顺序组装的共价互穿界面；向葡聚糖相选择性添加海藻酸盐构建Ca²⁺-海藻酸盐耗散双网络，或将PEG相替换为PVA并经盐析处理获得腱样模量（约3.0MPa），对侧葡聚糖相超软高延展（模量3.4kPa、伸长比900%）。Xue等进一步在PEG/葡聚糖界面原位自组装溶菌酶纳米纤维并共价锚定，形成刚性蛋白孔壳（修饰RGD），实现基质降解性与孔壳刚性的解耦：基质可逐渐降解而持久孔壳持续提供力学信号并屏蔽包封干细胞受压，壳硬化大孔结构促进体外增殖与成骨分化，兔与猪股骨髁缺损模型中显著改善骨修复（图16A–E）。光聚合诱导相分离（PIPS）则以光驱动初始混溶树脂（硫醇–烯、PEG/葡聚糖体系）穿越双节线，聚合增大分子量降低混合熵启动去混溶并由网络刚化动力学冻结，获得2–200μm可调互连孔ECM样支架，加速成骨与成纤维细胞迁移，并支持数秒内体积打印细胞负载多孔结构（图16F–H）。

图16 ATPS与PIPS水凝胶用于组织工程。（A–E）壳硬化大孔水凝胶的制备与结构、细胞保护、增殖/成骨分化及兔骨再生；（F–H）PIPS前驱体组成、不同光强下的凝胶/孔荧光成像与细胞行为

4.2 机械与工程应用

4.2.1 软体机器人与执行器

系缆执行器要求力学稳健与高循环寿命：乳液模板+原位聚合的多相有机水凝胶将相变微有机凝胶（不同碳链烷烃C16/C18/C28）包裹于弹性水凝胶基体，各组分熔点不同（18°C、35°C、57°C），实现阶跃或多稳态力学；集成于气动–热混合软体抓取器后，恒定气压下电加热使内含物熔化、模量从1.29MPa降至0.33MPa，可自适应抓取脆弱橡皮泥球。可持续路线方面，Yao等以乙醇（抗溶剂）诱导淀粉相分离并加热固定，将脆性淀粉转变为超弹性材料（延伸率361%），制成可食用可降解气动软体机器人抓取花生等脆弱食品；PVA/GO凝胶经双向冷冻铸造+压缩退火结晶，获得各向同性疲劳阈值>1500J·m⁻²，作为水母仿生机器人的承重钟体承受逾100万次驱动循环无失效（图17）。

图17 相分离水凝胶用于软体机器人与执行器。（A–C）多相有机水凝胶的成分、多相转变机理与气动–热混合抓取；（D–F）PVA/GO双向冷冻铸造制备、水母仿生机器人结构及其驱动过程

无系缆机器人需将环境能量（热、光、化学）直接转化为持续运动，LCST型PNIPAM网络（LCST约32°C）是泛使用的材料：局部加热触发线圈–球状相分离与体积塌缩，产生收缩网络驱动宏观运动，光热吸收剂（金纳米颗粒、聚苯胺、还原氧化石墨烯）实现远程光驱动。He等利用自遮蔽负反馈回路构建SunBOT向日葵仿生追踪器：光照侧PNIPAM相分离收缩使柱体弯向光源，柱尖遮挡光线后回弹、再次暴露，形成稳定振荡，实现全向向光性追踪；松散交联快扩散凝胶构成的OsciBots在恒定光照下持续振荡，驱动全软游泳机器人光控游动（图18A–E）。Pantula等3D打印活性PNIPAM层+被动PAAm层爬行机器人，全局热–冷循环中分段异步溶胀/收缩打破摩擦对称实现单向爬行；Zhu等将光热PNIPAM圆柱打结成knotbot，结交叉处自遮蔽使照明顶股相分离滚动、循环暴露下一段，实现自调节连续旋转爬杆（图18F–I）。

图18 相分离水凝胶用于软体机器人。（A–C）SunBOT设计原理与向光追踪；（D、E）OsciBots振荡与游泳机器人；（F、G）3D打印双层爬行机器人的热驱动爬行；（H、I）knotbot的制备与光驱动爬杆

4.2.2 可穿戴与柔性设备

电子皮肤的核心挑战是灵敏性与传感范围的权衡。Song等利用植酸（PA）对不同聚合物的差异化作用化学编程模量梯度：PA在PAM富集层起增塑作用使其柔软，在PAA富集层诱导前驱体LLPS使其韧化增强，重力驱动扩散形成垂直浓度梯度；所得MAP压力传感器低压力区灵敏度高达9kPa⁻¹，传感范围覆盖3.7Pa至1.2MPa，可同时检测声波、气流与足底高压。PANa单聚合物水凝胶纤维通过pH依赖抗溶剂（甲醇）相分离纺丝，纺丝液初始pH（3.95–13.97）决定链构象（卷曲或伸展），冻结不同构象可将纤维调控为无弹性、高弹性或塑性，模量跨越四个数量级、延伸率高达2693%，可监测1000%大应变、响应快至50ms（图19D–F）。

PVA/AgNW体系经冻融–盐析–干退火连续相分离，银纳米线富集为互连高导电网络、PVA形成高结晶分级结构，纤维电导率高达958S·cm⁻¹、韧性10–12MJ·m⁻²、抗疲劳优异。相分离还赋能信息加密：PAAm凝胶在乙醇/水混合溶剂中可逆塌缩变不透明，通过渗透压调控相分离动力学实现QR码按时显示与擦除的时间依赖加密；PVA/PNVCL纸状凝胶经羧基溶液局部触发化学相分离（氢键致不透明、体积变化可忽略），实现聚合物墨永存信息与小分子墨自擦除图案的多级加密。此外，丙烯酸（AAc）与甲基丙烯酸月桂酯（LMA）无溶剂本体共聚凝胶在水中强烈相分离，高黏弹网络声阻抗与水匹配，可用作高性能水下吸声隐身涂层（图19G、H）。

图19 相分离水凝胶用于可穿戴与柔性设备。（A–C）PAM/PA与PAA/PA梯度水凝胶的构建、制备过程与多尺度传感；（D–F）pH依赖抗溶剂相分离纺丝PANa纤维的构象塑造、网络结构与机器人鸟传感；（G、H）PAAm相分离驱动的QR码加密与解密循环

5 结论与展望

过去二十年间，聚合物凝胶中的相分离已发展为构筑分级结构、多功能软材料的有力且可控的设计策略。以Flory–Huggins与Flory–Rehner框架为起点，通过调节相互作用参数χ、交联密度与聚合动力学，相分离可沿双节线或旋节线路径进行，形成液滴–基体或双连续形貌，交联冻结将瞬态不稳定性转化为结构，为水凝胶引入纳米至微米级内禀尺度。相分离形貌决定凝胶的断裂抵抗、能量存储释放与循环稳定性：双连续弹性网络通过互连相协同变形实现高韧性与低滞后，半结晶与取向结构赋予应变硬化与各向异性；LCST/UCST转变与离子/溶剂驱动体系实现可逆微畴重组与热可切换刚度、透明度与驱动；多孔可灌注结构支撑细胞活力、迁移与定向分化。相分离因此不是简单的增强手段，而是支配水凝胶力学、物理与生物功能性的统一原则。

相分离价值的贡献在于化解软材料中长期存在的性能权衡：生物粘附中兼顾快速湿态固化与长期耐久（富聚合物皮层+耗散骨架同时提升Γi与Γd）；生物电子中调和力学柔顺与稳定电荷输运（渗流导电网络+低溶胀稳定界面）；组织工程中统一力学完整性与功能性孔隙（LLPS/ATPS模板化可灌注互连结构）；软体机器人与可穿戴设备中将被动材料转变为主动系统（热/化学/应变触发相切换动态编程刚度、摩擦与光学输出）。

然而，相分离水凝胶走向实用仍面临关键挑战：现有表征多为事后成像，会扭曲水合形貌并掩盖动态过程，需发展operando小角X射线散射、低温共聚焦、中子谱学等实时高分辨技术；多数相分离结构仍随机无序，需借助定向场、图案化光照或受控流动实现有序/梯度结构；脱水、离子流失与形貌粗化损害长期稳定性，冷冻铸造与溶剂交换难以工业放大，连续流或增材制造路线是规模化关键。展望未来，机器学习辅助分子设计已在高性能水下粘合剂筛选中展示潜力，将其扩展至更广泛聚合物体系并将序列描述符关联Flory–Huggins参数，可把经验优化转变为预测合成；增材制造与实时聚合–去混溶–光/流反馈耦合可实现三维空间微结构编程；动态可重构相分离（光、电场、磁场耦合相界）与合成相分离支架+活细胞的生物混合水凝胶，将把相分离从自发过程转变为可编程、多功能的设计法则。