闭环可循环抗膨胀PVA/银纳米线水凝胶：用于可持续柔性电子产品的材料

《Polymer Degradation and Stability》：Closed-Loop Recyclable Anti-Swelling PVA/AgNWs Hydrogels for Sustainable Flexible Electronics

抗肿胀PVA/AgNWs水凝胶通过梯度组装策略（冷冻解冻、盐析、肿胀）实现机械性能（61倍 toughness提升）、电导率（6倍增强）与抗肿胀性同步优化，并建立闭环回收系统（循环3次后保留95%机械性能、97.71%电导率），适用于水下生物监测和柔性电子。

　　近年来，柔性传感器因其在人机交互、健康监测以及智能机器人触觉感知等领域的广泛应用而受到广泛关注。这类传感器能够适应复杂的曲面变形，承受动态机械负载，并与生物组织实现良好的机械兼容性。然而，其实际应用仍面临诸多挑战，尤其是在材料的抗吸水性能和可回收性方面。为了克服这些局限性，研究人员探索了多种策略，其中一种基于物理交联的协同相分离方法被认为具有广阔前景。

本研究提出了一种结合冷冻-解冻、盐析和吸水（FSS）的梯度组装策略，用于制备一种具有闭合循环回收能力的抗吸水PVA/AgNWs水凝胶。这一策略通过协同相分离过程，实现了机械性能、电导率和抗吸水能力的同步优化。相比仅经历冷冻-解冻循环的对照水凝胶，经过FSS处理的PVA/AgNWs水凝胶在体积韧性上提高了61倍（从0.031 MJ/m3提升至1.9 MJ/m3），电导率则提升了6倍（从0.041 S/m提升至0.25 S/m）。此外，在15天的水浸泡后，水凝胶表现出优异的稳定性：质量变化低于5%，而在7天和15天后，拉伸应变、体积韧性以及电导率均保持在95%以上。这表明该水凝胶不仅具备出色的机械性能和电导率，还具有良好的抗吸水能力。

通过利用水凝胶中物理交联结构（如氢键和晶体）的特性，研究人员建立了一个完整的闭合循环回收体系。在经历三次回收循环后，该水凝胶仍能保持95%的拉伸应变、91.52%的原始拉伸应力以及97.71%的初始电导率。这表明其在重复使用过程中仍能维持高性能，为可持续柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，该水凝胶还表现出良好的生物相容性和抗菌性能，使其在生物医学领域具有应用潜力。基于该水凝胶的传感器能够实现水下生物仿生运动监测，而生物电极在采集人体生理信号方面与商用Ag/AgCl电极性能相当。

PVA作为一种具有丰富羟基和可逆物理交联特性的材料，已被广泛用于抗吸水水凝胶的制备。其交联密度可以通过工艺参数（如冷冻-解冻循环次数和温度梯度）进行精确调控。这种可逆交联特性赋予了PVA水凝胶高断裂伸长率、自修复能力、良好的生物相容性、化学耐腐蚀性和环境稳定性，使其在柔性电子和生物医学领域具有独特优势。然而，PVA水凝胶在机械强度、电导率和高湿度环境下的吸水问题仍然制约其在柔性电子设备中的应用。为突破这些瓶颈，研究人员提出了多种增强策略，如物理和化学交联的协同作用，以及纳米填料（如石墨烯氧化物和纳米片）的引入。

尽管这些方法在一定程度上提升了PVA水凝胶的性能，但也带来了新的问题。例如，化学交联剂的引入可能会降低材料的生物相容性，而不可逆交联则会削弱水凝胶的自修复能力。纳米填料虽然可以通过界面相互作用增强网络结构，但其不均匀分散可能导致应力集中，而高填料浓度则可能阻碍PVA链的运动，从而降低断裂伸长率。此外，仿生分层结构（如定向排列的纤维）虽然可以增强机械性能，但该方法涉及复杂的制备过程，难以实现大规模生产。

为了实现PVA水凝胶在传感应用中的突破，研究人员探索了多种导电功能化方法。通过在PVA水凝胶中添加电解质或离子液体，可以引入可移动的离子，从而实现基于离子的导电。这些离子不仅能够提升PVA水凝胶的导电性能，还能在一定程度上增强其热和机械稳定性。一些研究还表明，通过结合冷冻和盐析处理，可以制备出具有高导电性能的AgNWs/PVA水凝胶。例如，某些研究通过引入连续相分离效应，提高了AgNWs的局部浓度，从而实现了极高的电导率。

然而，这些研究大多没有充分关注水凝胶的抗吸水性能和闭合循环回收能力。因此，本研究提出了一种新的策略，通过物理交联驱动的协同相分离方法，构建了一种具有闭合循环回收能力的抗吸水PVA/AgNWs水凝胶。该水凝胶在低AgNWs负载（4 wt%）下表现出优异的机械性能和电导率，同时具备良好的抗吸水能力。通过冷冻-解冻循环，水凝胶形成了三维网络结构，这一结构能够增强氢键和微晶体的形成，从而提升机械性能。随后，盐析处理（Hofmeister效应）进一步优化了水凝胶的机械性能和导电网络结构，而最后的吸水过程则有助于平衡吸水稳定性和柔韧性。

这种协同相分离策略不仅实现了机械性能、电导率和抗吸水能力的同步优化，还为可持续柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，该水凝胶在生物医学领域具有应用潜力，能够用于水下生物仿生运动监测和健康评估。因此，本研究提出了一种新的策略，通过构建具有优异机械性能、电导率和抗吸水能力的闭合循环可回收PVA/AgNWs水凝胶，突破了传统水凝胶在机械性能、电导率和抗吸水能力之间的性能权衡，为可持续柔性电子器件的发展提供了新的方向。

从材料角度来看，PVA因其丰富的羟基和可逆物理交联特性，成为抗吸水水凝胶的首选基材。其交联密度可以通过工艺参数进行精确调控，如冷冻-解冻循环次数和温度梯度。这种可逆交联特性赋予了PVA水凝胶高断裂伸长率、自修复能力、良好的生物相容性、化学耐腐蚀性和环境稳定性，使其在柔性电子和生物医学领域具有独特优势。然而，PVA水凝胶在机械强度、电导率和高湿度环境下的吸水问题仍然制约其在柔性电子设备中的应用。

为了突破这些瓶颈，研究人员提出了多种增强策略。其中，物理和化学交联的协同作用被广泛用于提升机械性能，但化学交联剂的引入可能会降低材料的生物相容性，而不可逆交联则会削弱水凝胶的自修复能力。纳米填料（如石墨烯氧化物和纳米片）通过界面相互作用增强网络结构，但其不均匀分散可能导致应力集中，而高填料浓度则可能阻碍PVA链的运动，从而降低断裂伸长率。此外，仿生分层结构（如定向排列的纤维）虽然可以增强机械性能，但该方法涉及复杂的制备过程，难以实现大规模生产。

导电功能化是PVA水凝胶向传感应用发展的重要一步。通过在PVA水凝胶中添加电解质或离子液体，可以引入可移动的离子，从而实现基于离子的导电。这些离子不仅能够提升PVA水凝胶的导电性能，还能在一定程度上增强其热和机械稳定性。一些研究还表明，通过结合冷冻和盐析处理，可以制备出具有高导电性能的AgNWs/PVA水凝胶。例如，某些研究通过引入连续相分离效应，提高了AgNWs的局部浓度，从而实现了极高的电导率。

然而，这些研究大多没有充分关注水凝胶的抗吸水性能和闭合循环回收能力。因此，本研究提出了一种新的策略，通过物理交联驱动的协同相分离方法，构建了一种具有闭合循环回收能力的抗吸水PVA/AgNWs水凝胶。该水凝胶在低AgNWs负载（4 wt%）下表现出优异的机械性能和电导率，同时具备良好的抗吸水能力。通过冷冻-解冻循环，水凝胶形成了三维网络结构，这一结构能够增强氢键和微晶体的形成，从而提升机械性能。随后，盐析处理（Hofmeister效应）进一步优化了水凝胶的机械性能和导电网络结构，而最后的吸水过程则有助于平衡吸水稳定性和柔韧性。

这种协同相分离策略不仅实现了机械性能、电导率和抗吸水能力的同步优化，还为可持续柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，该水凝胶在生物医学领域具有应用潜力，能够用于水下生物仿生运动监测和健康评估。因此，本研究提出了一种新的策略，通过构建具有优异机械性能、电导率和抗吸水能力的闭合循环可回收PVA/AgNWs水凝胶，突破了传统水凝胶在机械性能、电导率和抗吸水能力之间的性能权衡，为可持续柔性电子器件的发展提供了新的方向。

通过结合冷冻-解冻、盐析和吸水处理，研究人员成功构建了一种具有优异性能的PVA/AgNWs水凝胶。该水凝胶在低AgNWs负载（4 wt%）下表现出显著的体积韧性提升和电导率增强。冷冻-解冻循环诱导了冰模板效应，促进了PVA链上羟基之间的强氢键形成以及PVA微晶体的生成，这些结构作为物理交联点，形成了三维网络。随后，盐析处理（Hofmeister效应）进一步优化了水凝胶的机械性能和导电网络结构，而最后的吸水过程则有助于平衡吸水稳定性和柔韧性。

这种策略不仅实现了机械性能、电导率和抗吸水能力的同步优化，还为可持续柔性电子器件的发展提供了新的思路。此外，该水凝胶在生物医学领域具有应用潜力，能够用于水下生物仿生运动监测和健康评估。因此，本研究提出了一种新的策略，通过构建具有优异机械性能、电导率和抗吸水能力的闭合循环可回收PVA/AgNWs水凝胶，突破了传统水凝胶在机械性能、电导率和抗吸水能力之间的性能权衡，为可持续柔性电子器件的发展提供了新的方向。

该水凝胶的优异性能使其在多个领域具有应用潜力。例如，在生物医学领域，该水凝胶可用于水下生物仿生运动监测和健康评估。在柔性电子领域，该水凝胶能够用于开发可持续的可穿戴设备，这些设备需要具备良好的机械性能、电导率和抗吸水能力。此外，该水凝胶还表现出良好的生物相容性和抗菌性能，使其在医疗应用中具有重要价值。

通过这种策略，研究人员不仅实现了材料性能的突破，还为可持续柔性电子器件的发展提供了新的思路。该水凝胶的闭合循环回收能力使其在实际应用中具有更高的资源利用率和环境友好性。同时，其优异的机械性能和电导率使其能够满足柔性电子设备对高性能的要求。这些优势使得该水凝胶成为未来柔性电子器件研究的重要方向。

该研究的创新之处在于，通过物理交联驱动的协同相分离策略，成功构建了一种具有闭合循环回收能力的抗吸水PVA/AgNWs水凝胶。这一策略不仅提升了材料的机械性能和电导率，还有效改善了其抗吸水能力。这种水凝胶的制备方法具有可扩展性，能够在大规模生产中实现应用。此外，该水凝胶的生物相容性和抗菌性能使其在生物医学领域具有重要价值。

综上所述，本研究提出了一种新的策略，通过构建具有优异机械性能、电导率和抗吸水能力的闭合循环可回收PVA/AgNWs水凝胶，突破了传统水凝胶在机械性能、电导率和抗吸水能力之间的性能权衡，为可持续柔性电子器件的发展提供了新的方向。这一策略不仅提升了材料的性能，还为实际应用提供了更加环保和高效的解决方案。