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为解决多功能水凝胶难以同时具备高拉伸性、强粘附性、抗冻能力和长期稳定性的问题，研究人员开展了合成 P (SBMA-co-AA)/CMC/LiOTf 有机水凝胶的研究。结果显示该水凝胶性能优异，有望用于可穿戴应变传感器监测人体运动。
在科技飞速发展的今天，可穿戴电子设备逐渐融入人们的生活。其中，水凝胶凭借自身的柔软、生物相容性和柔韧性等特点，在可穿戴电子领域备受关注，特别是水凝胶基可穿戴应变传感器，能将人体生理运动转化为电信号，实现对人体活动的实时监测。
然而，目前设计一种集高拉伸性、高韧性、环境耐受性、低滞后性、传感稳定性和自粘性于一身的多功能水凝胶仍是个难题。传统制备的导电水凝胶，虽然有不错的韧性和导电性，但拉伸性有限、皮肤粘附性不足且保湿性欠佳。即使加入浓盐溶液或多元醇来提升稳定性，又会损害机械性能。而两性离子单体虽能赋予水凝胶高偶极矩、增强粘附性和离子导电性，但静电排斥会导致机械性能差。因此，研发一种能平衡多种性能，在极端环境下也能稳定工作的水凝胶迫在眉睫。
韩国科学技术研究院（KITECH）的研究人员开展了一项旨在解决上述问题的研究。他们设计并合成了一种多功能有机水凝胶应变传感器，将磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）和丙烯酸（AA）按优化的 1:8 摩尔比结合，用生物质衍生的羧甲基纤维素（CMC）增强，并加入乙二醇（EG）和三氟甲磺酸锂（LiOTf）作为抗冻剂。研究发现，所制备的 P (SBMA-co-AA)/CMC/LiOTf 有机水凝胶展现出惊人的性能。它的断裂应变高达 2729%，拉伸应力为 218 kPa；在玻璃和猪皮上的粘附力很强，90° 剥离强度分别达到 447 N/m 和 197 N/m；具备卓越的抗冻能力，在 - 70°C 仍不结冰；在环境条件下放置 7 天后质量保留率达 95%，在重复加载 - 卸载循环（超过 500 次）下也能保持稳定性能。这一研究成果意义重大，该有机水凝胶为下一代可穿戴应变传感器提供了极具潜力的选择，即使在极端条件下也能精确、稳定地监测人体运动。此研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。
研究人员开展研究时用到的主要关键技术方法包括：采用一锅法自由基聚合制备水凝胶，这种方法操作简单，能有效合成 P (SBMA-co-AA)/CMC/LiOTf 有机水凝胶。
下面来详细看看研究结果：
- 水凝胶的制备与结构：通过一锅法自由基聚合成功制备出离子导电纤维素基有机水凝胶 P (SBMA-co-AA)/CMC/LiOTf。其中，两性离子单体 SBMA 和 AA 共聚形成 P (SBMA-co-AA) 网络，AA 的加入缓解了 SBMA 的固有脆性和机械强度限制问题，使聚合物链得以延伸和硬化。
- 水凝胶的性能测试：
- 拉伸性能：该水凝胶展现出非凡的拉伸性，断裂应变达 2729% ，拉伸应力为 218 kPa，超越了许多现有的粘性水凝胶。
- 粘附性能：它对多种基材具有很强的粘附力，在玻璃和猪皮上的 90° 剥离强度分别为 447 N/m 和 197 N/m 。
- 抗冻性能：水凝胶在低至 - 70°C 的温度下仍能保持稳定，未出现结冰现象。
- 稳定性：在环境条件下放置 7 天后，其质量保留率为 95%，且在超过 500 次的重复加载 - 卸载循环中性能稳定。
研究结论表明，成功合成的多功能 P (SBMA-co-AA)/CMC/LiOTf 有机水凝胶具备高拉伸性、强自粘附性、有效抗冻能力和长期稳定性。这种水凝胶是通过将生物质衍生的 CMC 融入 P (SBMA-co-AA) 体系，并使用 EG 和去离子水（DIW）的二元溶剂混合物制备而成。CMC 凭借其丰富的羟基和羧基官能团，形成大量氢键和二次交联相互作用，不仅增强了水凝胶的内聚力和表面粘附力，还提高了机械强度。EG 和 LiOTf 则确保了水凝胶在低温下的弹性，并提升了导电性。
该研究为可穿戴应变传感器领域带来了新的突破。这种有机水凝胶在可穿戴设备中具有巨大的应用潜力，能够在复杂多变的环境下，精准、稳定地监测人体运动，为医疗健康、运动监测等多个领域提供有力支持，有望推动相关领域的进一步发展。
