用脱细胞脐带细胞外基质和碳纳米管增强的壳聚糖水凝胶：软骨再生领域的新趋势

《Materials Today Chemistry》：Chitosan hydrogel reinforced with decellularized umbilical cord extracellular matrix and carbon nanotubes: a new trend for cartilage regeneration

本研究开发了一种基于PVA、硼砂、MXene纳米片和离子液体的多功能水凝胶PBILM，具有温度响应性（20-60℃）、超拉伸性（>2000%）、自愈和快速降解特性，适用于可穿戴传感器、信息加密和环保应用。

　　### 多功能导电水凝胶：可降解与智能传感的完美结合

在现代科技迅猛发展的背景下，柔性电子设备和可穿戴技术正逐渐成为研究的热点。这些设备需要具备一系列独特的性能，如良好的导电性、可拉伸性、自修复能力、强粘附性以及可降解性，以满足复杂的应用需求。然而，实现这些性能的集成仍然面临巨大挑战。为了克服这一障碍，研究人员提出了一种新型的多功能水凝胶材料，该材料结合了多种关键成分，以实现性能的协同增强。这种水凝胶不仅具备出色的热响应特性，还能够进行自我修复和快速降解，为下一代智能可穿戴设备提供了新的可能性。

这种水凝胶主要由聚乙烯醇（PVA）、硼砂（borax）、MXene纳米片和一种离子液体单体——四丁基膦酸基苯乙烯磺酸（PSS）构成。其独特的热响应行为使得该材料在温度变化时能够实现从透明到不透明的可逆转变，这一特性对于智能传感和信息加密具有重要意义。此外，MXene的引入显著提高了水凝胶的导电性和机械强度，而硼砂则通过动态的硼酸酯键促进了水凝胶的自修复和粘附性能。这种材料的综合性能使其在可穿戴电子、农业应用以及水处理等多个领域展现出广泛的应用前景。

### 水凝胶的结构与性能特点

水凝胶作为一种三维多孔网络结构，通常具有高水含量和良好的生物相容性。PVA作为一种常见的水溶性聚合物，因其丰富的羟基和优异的水保持能力，被广泛用于水凝胶的制备。然而，纯PVA水凝胶的机械强度和导电性相对较弱，限制了其在柔性电子中的应用。为此，研究人员通过引入MXene和离子液体，对PVA水凝胶进行了改性，从而显著提升了其综合性能。

MXene作为一种二维过渡金属碳化物和氮化物，具有优异的导电性、较大的比表面积以及丰富的表面官能团（如–OH、–F、–O等），这些特性使其能够与PVA形成强的氢键，进而构建出连续的导电网络。此外，MXene的加入还提高了水凝胶的机械强度和可拉伸性，使其能够在极端条件下保持结构完整性。而离子液体PSS的引入，则赋予了水凝胶热响应特性，使其能够在特定温度范围内实现从透明到不透明的可逆变化。

### 自修复与粘附性能

自修复是水凝胶材料的重要特性之一，它使得材料在受到损伤后能够恢复其原有功能。在PBILM水凝胶中，自修复能力主要来源于其动态的硼酸酯键和MXene表面官能团之间的相互作用。当水凝胶受到切割或拉伸损伤后，这些动态键可以在室温下迅速重新形成，从而实现材料的自修复。实验结果表明，PBILM水凝胶在自修复后能够恢复其几乎全部的机械性能，这一特性使其在柔性电子器件中具有极大的应用潜力。

粘附性是水凝胶用于可穿戴设备的关键因素之一。PBILM水凝胶能够与多种基材（如纸张、金属、木材、玻璃和皮肤）形成强的粘附力，这一特性得益于其丰富的氢键和电荷相互作用。在实验中，PBILM水凝胶表现出出色的粘附能力，其粘附强度在不同基材上均表现出良好的适应性。这种粘附性能不仅确保了水凝胶与皮肤的紧密接触，还使其能够有效地检测外部刺激和人体运动。

### 热响应特性与智能传感

热响应是水凝胶材料在智能传感领域的重要特性之一。PBILM水凝胶通过其独特的下临界溶解温度（LCST）型相变行为，能够在20至60摄氏度之间实现可逆的透明与不透明转变。这种热响应特性使得水凝胶能够根据温度变化做出相应的反应，为智能传感器提供了新的设计思路。例如，当温度升高至45摄氏度以上时，水凝胶中的PSS会发生相分离，导致其变得不透明，从而可以用于信息加密和解密。

此外，PBILM水凝胶还表现出优异的导电性，使其能够用于电容式传感器。通过将水凝胶夹在两层VHB胶带之间，研究人员成功构建了一种柔性触控键盘，能够检测手指按压产生的压力变化，并将其转化为相应的电信号。这种导电性不仅提升了水凝胶的传感能力，还使其在数据加密和实时信息传输方面具有广泛的应用前景。

### 应用拓展：加密与人体运动监测

PBILM水凝胶的多功能性使其在信息加密和人体运动监测方面展现出独特的潜力。通过控制温度变化，研究人员能够实现信息的隐藏与显现。例如，在20摄氏度时，PBILM水凝胶保持透明状态，而当温度升高至60摄氏度时，特定的数字和字母会变得不透明，从而揭示隐藏的信息。这种可逆的热响应特性使得水凝胶成为一种理想的加密材料。

在人体运动监测方面，PBILM水凝胶因其高可拉伸性和良好的粘附性，能够有效地检测各种细微和大幅度的运动。例如，研究人员将PBILM水凝胶贴附在志愿者的面部和手腕上，用于监测表情变化和关节运动。实验结果表明，水凝胶能够实时捕捉这些运动并转化为相应的电信号，显示出其在健康监测和康复辅助中的应用潜力。

### 可降解性与环境友好性

随着电子废弃物问题的日益严重，开发可降解的智能材料成为研究的重要方向。PBILM水凝胶在这一方面表现出色，能够在不同的环境中快速降解。例如，在过氧化氢（H?O?）溶液中，PBILM水凝胶能够在62分钟内完全降解；在去离子水（DI水）中，降解过程需要6小时；而在磷酸盐缓冲液（PBS）中，降解时间则为24小时。这种快速且可控的降解特性，使得PBILM水凝胶在使用后能够安全地降解，减少对环境的污染。

MXene作为水凝胶的关键成分之一，在降解过程中会逐渐氧化为二氧化钛（TiO?）纳米颗粒，这是一种无毒无害的物质。因此，PBILM水凝胶在降解后不会产生有害的残留物，而是转化为生态友好的成分。这种特性不仅符合可持续发展的理念，还为水凝胶在环境友好型电子设备中的应用提供了可能。

### 未来展望与研究意义

综上所述，PBILM水凝胶通过其独特的结构设计和性能优化，成功实现了多种关键特性的集成。这种材料不仅具备优异的导电性、可拉伸性和自修复能力，还能够根据温度变化做出响应，展现出出色的热敏感性和信息加密潜力。同时，其快速降解和无害分解特性也使其在环保方面具有显著优势。

PBILM水凝胶的研究成果为可穿戴电子设备、智能传感器以及环境友好型材料的开发提供了新的思路。它不仅能够满足对高灵敏度和高可靠性的需求，还能够在使用后实现安全降解，减少电子废弃物对环境的影响。未来，随着研究的深入，PBILM水凝胶有望在更多领域得到应用，包括生物医学工程、农业智能系统和环境监测等。

此外，PBILM水凝胶的多功能性还为人类与机器之间的交互提供了新的可能性。通过结合其热响应和导电特性，可以开发出更加智能化的电子皮肤和可穿戴设备，实现对人体运动的实时监测和反馈。这种材料的出现，不仅推动了智能传感技术的发展，也为未来智能材料的设计和应用提供了宝贵的参考。

总之，PBILM水凝胶的开发代表了智能材料研究的一个重要进展。它通过合理的材料组合和结构设计，成功克服了传统水凝胶在机械性能、导电性、自修复能力和可降解性等方面的不足。未来，随着更多实验和应用研究的深入，PBILM水凝胶有望成为智能可穿戴设备和环境友好型材料的重要组成部分，为人类社会的可持续发展和智能化进程提供强有力的支持。