基于整合超分子网络与空间分级结构的强韧两性离子水凝胶及其表皮电子应用

《Nature Communications》：Robust zwitterionic hydrogels enabled by consolidated supramolecular networks and spatially hierarchical structures

本研究针对两性离子水凝胶机械性能不足与功能单一的核心难题，通过构建动态超分子框架与多尺度分级结构，开发出兼具高强度（7.93 MPa）、高韧性（76.85 MJ/m3）、高回弹性（95.65%）及多功能集成（自粘附、抗冻、离子导电）的RHOCF水凝胶。该工作为表皮电子器件提供了单一材料平台，突破了传统水凝胶性能权衡的瓶颈。

　　

在柔性电子和可穿戴设备迅猛发展的今天，水凝胶材料因其优异的生物相容性和柔韧性成为研究热点。其中，两性离子水凝胶（Zwitterionic hydrogels）凭借其固有的抗凝血性、超保湿性和防污特性，尤其被视为表皮电子（epidermal electronics）的理想候选材料。然而，这类材料的实际应用却长期受限于两大瓶颈：机械性能不足（普遍表现为强度低、易断裂）与功能单一（如缺乏自粘附性或低温稳定性）。尽管已有研究通过双网络结构或牺牲键设计提升韧性，但强度与拉伸性之间的传统权衡关系仍未被有效突破，其断裂应力多局限于兆帕以下水平，难以满足长期稳定使用的需求。

发表于《Nature Communications》的这项研究提出了一种仿生策略，通过整合动态超分子网络与空间多尺度分级结构，成功制备出兼具卓越机械性能与多功能集成的强韧两性离子水凝胶（RHOCF）。研究团队受骨骼肌和关节软骨等生物材料启发，将聚两性离子盐（PZS）、聚乙烯醇（PVA）与三价铋离子（Bi³⁺）协同组装，构建了类似天然组织的致密缠结网络。其中，PZS提供刚性骨架，PVA增强链缠结流动性，而Bi³⁺则通过动态金属-配体配位键（与PZS的-SO₃^-基团和PVA的-OH基团）抑制聚合物自聚集，形成均质化分级孔结构。这种设计使RHOCF同时实现了高拉伸性（1635%应变）、高强度（7.93 MPa）、高韧性（76.85 MJ/m³）和高回弹性（95.65%），其性能显著超越已报道的多种增强型水凝胶。

关键技术方法包括：利用水-甘油二元溶剂体系溶解铋盐以优化网络均匀性；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）及密度泛函理论（DFT）计算验证配位键形成；结合小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）与扫描电子显微镜（SEM）表征多级孔结构；采用循环拉伸与疲劳测试评估机械性能；基于四电极法测量离子电导率，并通过差示扫描量热法（DSC）分析抗冻特性。

设计原理与机械性能

通过对比纯PZS、PZS/PVA及RHOCF的应力-应变曲线，发现引入PVA缠结网络后强度提升至0.57 MPa，而添加0.25 wt% Bi³⁺的RHOCF强度进一步增至7.93 MPa，且应变保持1635%。循环加载试验表明其具备低滞后和高疲劳阈值（~351 J/m²），归因于配位键的动态断裂-重组与分级孔结构的能量耗散机制。

协同增强机制

DFT计算显示Bi³⁺与-SO₃^-的结合能（-163.2 kcal/mol）远高于静电相互作用（-12.9 kcal/mol），证实强配位键主导网络强化。SAXS/WAXS与SEM揭示随着Bi³⁺浓度增加，材料从微米级大孔结构转变为纳米级嵌入的分级孔，有效促进应力分散与裂纹抑制。

多功能集成特性

RHOCF在可见光区透光率达96.32%，离子电导率为5.61 S/m，且依靠甘油与Bi³⁺的协同作用实现-71.61°C的抗冻性能。其对钢、PET等基底的粘附强度达21.9 kPa，源于配位键与氢键等多重界面作用。

传感应用示范

基于RHOCF的智能手套可同步感知温度、应变与触觉刺激，其应变传感范围超1600%，灵敏度达65.31。在脑电图（EEG）监测中，RHOCF电极信号保真度优于商用凝胶电极，对六级持续注意力评估准确率达90.2%。

该研究通过仿生结构设计成功协调了水凝胶的机械强度与功能扩展间的矛盾，为下一代表皮电子设备提供了单一材料解决方案。RHOCF平台的多尺度协同机制与可定制性，有望推动柔性电子在健康监测、人机交互等领域的应用突破。