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为解决传统水凝胶传感器合成复杂、安全性差、机械性能不足及环境不稳定等问题，研究人员开展了天然生物质基多功能导电水凝胶用于一体化可穿戴应变传感器的研究。结果显示该水凝胶具备多种优良性能，在多领域有应用潜力，为相关研究提供新思路。
随着社会的进步和人们生活水平的提高，健康监测变得越来越重要。智能设备中集成的各种传感器能够监测心率、血氧饱和度等数据，其中可穿戴传感器在健康监测、人机交互等领域展现出巨大潜力。然而，传统的可穿戴传感器存在诸多问题。比如，在日常使用中，它们会受到机械磨损和摩擦，导致材料性能下降、寿命缩短；与皮肤长时间接触时，材料的生物相容性和安全性难以保证，部分传感器材料还可能引发皮肤过敏、炎症等不良反应；基于金属或半导体的传统传感器刚性大、脆性高，无法精准捕捉目标数据信号。此外，一些传感器使用的传统石油基聚合物成本高、生产过程不环保且不可再生。因此，开发低成本、环保的天然生物质基柔性传感材料迫在眉睫。
在这样的背景下，相关研究人员开展了关于天然生物质基多功能导电水凝胶用于一体化可穿戴应变传感器的研究，并将成果发表在《Cell Biomaterials》上。
研究人员采用的主要关键技术方法有：通过简单的 “一锅法” 合成水凝胶；运用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶微观结构，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）分析水凝胶的化学组成和结构，借助热重分析（TGA）和差热分析（DTG）研究水凝胶的热稳定性；进行拉伸、压缩等力学性能测试，以及电化学阻抗谱（EIS）测试来评估水凝胶的导电性；通过细胞计数试剂盒 - 8（CCK - 8）法和荧光显微镜观察评估水凝胶的细胞毒性和生物相容性，利用抑菌圈实验检测其抗菌性能。
研究结果如下：
- 水凝胶的制备：利用 “一锅法” 成功制备出具有多种优良性能的水凝胶。水凝胶内部形成了由羧甲基纤维素（CMC）、多巴胺（DA）、丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）之间的氢键、静电和共价相互作用构成的三维网络结构。SEM 图像显示其具有多孔结构，有利于离子传输，增强了导电性。多种测试方法证实了水凝胶各成分之间有效交联，且热稳定性良好。
- 机械性能和导电性：该水凝胶展现出卓越的机械性能，能承受压缩、弯曲、扭曲、打结和切割等操作，并能完全恢复原状，还具有高拉伸性，可拉伸至 600% 应变不断裂。DA 含量的增加能提高水凝胶的拉伸强度、断裂伸长率和韧性，同时降低弹性模量，更适合贴合人体皮肤。水凝胶的导电性良好，拉伸时电阻会变化，但内部导电路径保持完整，且具有良好的抗疲劳性。
- 粘附性和流变学性能：水凝胶对多种材料表面都有很强的粘附性，其粘附机制与分子链上的羧基、羟基和 DA 的邻苯二酚基团有关。DA 含量增加，粘附强度增强。流变学测试表明，水凝胶弹性强，形状保持能力好，DA 的加入提高了水凝胶的网络强度和粘弹性，但过多的 DA 会降低交联程度。
- 抗菌活性和细胞毒性分析：CCK - 8 法和荧光显微镜观察结果表明，该水凝胶细胞毒性低，生物相容性良好。抑菌圈实验显示，含有 PDA 的水凝胶对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）有明显的抗菌活性，其抗菌机制与 PDA 氨基的正电荷和细菌细胞膜负电荷的静电作用有关。
- 溶胀性能：水凝胶具有较高的溶胀性能，DA 含量增加会降低溶胀率。此外，水凝胶对温度和 pH 具有响应性，温度升高、pH 增大时，水凝胶的溶胀率会相应增加，其溶胀机制与分子链上的亲水基团、疏水区域以及离子化程度有关。
- 传感性能：水凝胶传感器对不同程度的机械变形识别精准，应变传感范围广，响应稳定、可重复，响应时间为 0.4s，恢复时间为 0.6s，经过 100 次循环拉伸后仍能保持稳定的传感性能。
- 水凝胶应变传感器的运动监测：水凝胶可稳定粘附在人体皮肤，作为可穿戴传感器能准确监测手指、手腕、肘部等部位的弯曲运动，还能区分不同的运动模式，如跑步、步行等，甚至可以实时监测吞咽、呼吸等细微生理运动信号。此外，水凝胶还可作为电容笔用于操作智能手机，在人机交互领域有应用潜力。
- pH 和温度监测：水凝胶传感器对 pH 和温度变化敏感，能检测不同 pH 环境，还可通过检测电阻变化监测温度，开发的 “皮肤接触温度预警装置” 可用于避免高温烫伤等。
研究结论表明，该研究制备的新型全天然生物质基多功能导电水凝胶具有优异的综合性能，在可穿戴传感器、人体运动检测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。这种水凝胶不仅实现了天然生物资源的可持续利用，还为绿色环保柔性传感材料的研究提供了新的思路和方法，对推动相关领域的发展具有重要意义。
