热响应、自修复、自粘且可降解的基于MXene的离子水凝胶，用于多功能传感器

《Materials Today Chemistry》：Thermal-responsive, self-healable, self-adhesive and degradable MXene-based ionic hydrogels for multifunctional sensors

导电水凝胶PBILM由PVA、硼砂、MXene纳米片和离子液体单体PSS复合而成，具有温敏性（20-60°C）、超2000%拉伸性、自愈、强附着力及快速降解特性，适用于可穿戴电子设备、信息加密和人体运动监测。

　　这一研究介绍了一种新型多功能水凝胶材料，它结合了热响应性、可拉伸性、粘附性、自修复性和可降解性，被认为是下一代可穿戴设备和多功能材料的重要候选者。该水凝胶由聚乙烯醇（PVA）、硼砂、MXene纳米片和一种离子液体单体——四丁基膦基苯磺酸盐（PSS）组成，被命名为PBILM水凝胶。这种材料在多个方面展现出卓越的性能，包括其在不同温度下的响应性、出色的机械性能、快速的自修复能力以及良好的环境适应性，为智能可穿戴电子设备和可持续材料的应用提供了新的思路。

研究团队指出，传统的柔性传感器材料，如基于柔性金属导体或导电聚合物的复合材料，虽然在某些方面取得了一定进展，但仍存在诸如皮肤适应性差、灵敏度低、拉伸性有限、生物相容性不足以及导电材料与聚合物基体之间界面兼容性差等问题。相比之下，水凝胶因其高拉伸性、良好的皮肤兼容性和生物相容性，成为可穿戴电子设备的理想材料之一。其中，热响应性水凝胶因其可逆的溶胶-凝胶转变特性，在药物输送、传感器和软体机器人等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统热响应性聚合物，如聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm），其狭窄的温度响应范围和有限的可调性限制了其在更多应用场景中的使用。因此，研究团队开发了一种基于离子液体的水凝胶材料，以克服这些限制。

PBILM水凝胶的制备方法采用了动态共价键合策略，通过物理交联和离子液体作为热响应性组分，构建了一个均质的三维导电网络。该材料不仅具有快速凝胶化的能力，还能在不同温度条件下表现出显著的热响应性，其温度响应范围从20°C到60°C。此外，该水凝胶在极端拉伸性（超过2000%）和高粘附性方面表现出色，这主要归功于MXene纳米片与PVA和硼砂之间的超分子相互作用。MXene是一种二维的过渡金属碳化物和氮化物，具有优异的导电性和丰富的表面官能团（如–OH、–F和–O），能够与PVA形成稳定的氢键网络，从而提升水凝胶的机械性能和导电性。

在自修复性方面，PBILM水凝胶表现出显著的修复能力，能够在室温下迅速恢复其机械性能和导电性。研究团队通过实验验证了其自修复效率，发现即使在断裂后，水凝胶仍能恢复超过90%的初始性能。这一特性使得PBILM水凝胶在可穿戴电子设备中具有极高的应用潜力，因为设备在使用过程中可能受到机械损伤，而自修复功能能够有效延长设备寿命并减少维护成本。此外，水凝胶在不同溶液中的降解行为也得到了详细研究，表明其在过氧化氢（H?O?）溶液中可在62分钟内完全降解，在去离子水（DI water）中6小时内降解，而在磷酸盐缓冲液（PBS）中24小时内降解。这种快速且可控的降解能力，使得PBILM水凝胶成为一种环保型材料，有助于减少电子废弃物对环境的影响。

在实际应用方面，PBILM水凝胶被成功用于可穿戴传感器，以监测人体的各种运动，包括手写、摩尔斯电码信号和关节运动。通过将水凝胶连接到电子电路中，研究团队实现了对电阻变化的实时检测，从而能够准确识别不同的运动模式。例如，当手指以不同速度弯曲时，水凝胶的电阻变化能够被转换为相应的摩尔斯电码信号，用于信息传输和加密。此外，该水凝胶还能用于手写识别，能够检测书写过程中的压力变化，从而生成独特的信号波形，实现对签名或文字的识别。这些特性表明，PBILM水凝胶在信息加密、安全通信和智能传感系统中具有广泛的应用前景。

在电子性能方面，PBILM水凝胶表现出优异的电导率和稳定的电性能。通过实验，研究团队发现其在不同温度下的电导率具有可逆性，这得益于离子液体和MXene纳米片之间的协同作用。在低温（20°C）下，电导率随着MXene含量的增加而提高，而在高温（60°C）下，由于水凝胶结构的变化，电导率进一步增强。这种温度依赖性的电导率变化，使得PBILM水凝胶成为一种理想的热响应型材料，适用于需要根据环境温度变化进行响应的智能设备。

研究团队还对PBILM水凝胶的机械性能进行了深入探讨，发现其在不同拉伸率和拉伸次数下的表现稳定且可重复。通过进行1500次连续的拉伸-释放循环测试，水凝胶能够保持其电性能的稳定性，显示出其在长期使用中的可靠性。此外，该水凝胶在人体上的实际应用测试也表明，其能够有效地监测面部表情、手腕、肘部、手指和腿部的微小运动，显示出在医疗监测、康复训练和运动分析等领域的巨大潜力。

在环境友好性方面，PBILM水凝胶的降解特性为解决电子废弃物问题提供了新的思路。其在水中的降解速度较快，且降解后的产物对环境无害，例如MXene可以转化为二氧化钛（TiO?）纳米颗粒，这是一种无毒、无害的材料，可安全排放至环境中。这种可降解性不仅减少了材料在使用后对环境的负担，还为开发可持续的电子设备提供了可能。

此外，该水凝胶的制备方法也值得关注。通过使用离子液体和MXene纳米片，研究团队成功构建了一个具有高度可调性和多功能性的材料体系。这种方法不仅提高了材料的性能，还为未来的材料设计提供了新的方向。例如，通过调整MXene的含量和离子液体的比例，可以实现对水凝胶的热响应性、机械性能和导电性的精确调控，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，这项研究为开发具有多种功能的智能水凝胶材料提供了重要的理论基础和实验支持。PBILM水凝胶的多功能性、可降解性和自修复能力，使其在可穿戴电子、生物医学工程和环境可持续性领域具有广阔的应用前景。未来，进一步的研究可以集中在如何优化其性能，以适应更广泛的应用需求，同时探索其在更多智能系统中的潜力，如可变形机器人、柔性显示屏和智能纺织品等。