协同拉伸退火与盐析策略构建超强超韧各向异性细菌纤维素导电水凝胶用于生物电传感

本文报道了一种协同拉伸-退火与盐析（SSAS）新策略，通过定向排列聚合物链（PVA）与细菌纤维素（BC）纳米纤维并利用柠檬酸钾（K3Cit）盐析效应增强相互作用，成功制备出兼具超高机械强度（45.32 MPa）、韧性（256.26 MJ/m3）、导电性（13.3 mS/cm）和抗菌性的各向异性水凝胶，为可穿戴生物电传感器（ECG/EMG监测）提供了创新材料平台。

　　

亮点

材料

聚乙烯醇（PVA1799，醇溶度：98–99??%（摩尔分数））购自麦克林化学（上海，中国）。2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS，98??%）购自阿拉丁生化科技有限公司（上海，中国）。细菌纤维素（BC，固含量0.8??%，分散液）购自启宏科技有限公司（桂林，中国）。BC直径约为50–100??nm，平均长度约为20??μm。

结果与讨论

图1展示了各向异性PBA/K-a%水凝胶的制备过程。如图1a-b所示，将细菌纤维素（BC）悬浮液（质量分数：0.8??%）和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）加入聚乙烯醇（PVA）水溶液中，在95??°C下持续搅拌形成均匀的白色溶液。随后在室温下加入2959引发剂。将配制好的溶液倒入硅胶模具中，并接受紫外光照射以引发聚合反应，形成初始的PBA水凝胶。接着，对水凝胶进行不同伸长比（a%）的拉伸，并在退火过程中进行空气干燥，使聚合物链、PVA微晶和BC纳米纤维沿拉伸方向定向排列。最后，将排列好的凝胶浸泡在柠檬酸钾（K₃Cit）溶液中，通过盐析效应进一步增强聚合物间的物理相互作用（如氢键和配位作用）。这种协同策略显著提高了水凝胶的结晶度，并诱导形成了多尺度的取向结构，从而极大地增强了其机械鲁棒性。特别值得注意的是，P_10%B_0.45%A_10%/K-100%水凝胶表现出超高的机械强度（45.32 MPa）、高应变（838%）和超高的韧性（256.26 MJ/m³），同时具有良好的导电性（13.3 mS/cm）。AMPS和K₃Cit的协同引入还赋予了水凝胶良好的抗菌能力。

结论

本工作通过拉伸-退火与盐析（SSAS）的协同作用，成功制备了一种机械性能强韧、导电性良好、具有抗菌性和生物相容性的BC基水凝胶，可用于生物电信号监测传感器。系统揭示了多尺度结构对机械鲁棒性和导电性的调控机制。在微观尺度上，各向异性水凝胶交联网络内的聚合物链呈现定向排列，有效促进了能量耗散并增强了机械强度。盐析效应进一步强化了分子间相互作用并改善了晶体结构。所制备的PBA/K-100%水凝胶成功应用于心电图（ECG）和肌电图（EMG）的生物电信号监测，展示了其在人机交互和生物电子学领域的应用潜力。