超拉伸抗冻自修复导电水凝胶基摩擦纳米发电机在人体运动监测与信号传输中的应用

针对传统水凝胶功能单一的问题，研究人员通过PDA-Fe3+氧化还原体系引发自由基聚合和动态金属配位，开发出兼具机械强度（71 kPa, 872%伸长率）、自修复性和环境耐受性（-15℃不冻结）的PAA/CMC/PDA-EG水凝胶。该材料作为应变传感器（GF=10.49）和TENG电极（100 V开路电压），实现了人体运动监测与自供电信号传输，为柔性电子器件发展提供新思路。

　　

研究背景
在可穿戴电子设备蓬勃发展的今天，导电水凝胶因其类组织柔韧性和生物相容性，成为健康监测、电子皮肤和人机交互领域的研究热点。然而，传统水凝胶面临机械性能不足、环境耐受性差（如低温冻结）、功能单一等瓶颈问题。例如，普通水凝胶在寒冷环境中易失活，且难以同时满足高灵敏度传感和能量收集需求。这些缺陷严重限制了其在极端环境下的实际应用。

研究设计与方法
某国内研究团队通过自由基聚合和动态金属配位技术，以PDA-Fe³⁺氧化还原体系为引发剂，构建了PAA/CMC/PDA-EG三元水凝胶体系。关键技术包括：1）利用聚多巴胺（PDA）与Fe³⁺的配位作用形成动态交联网络；2）引入乙二醇（EG）提升抗冻性；3）通过羧甲基纤维素（CMC）增强机械性能。

研究结果
1. 力学性能与环境耐受性
水凝胶展现71 kPa拉伸强度和872%伸长率，-15℃下仍保持非冻结状态。动态配位键使其具备自修复能力，切口在室温下2小时可恢复原始强度的90%。

2. 应变传感性能
作为传感器时，工作范围达0-500%应变，灵敏度（GF）为10.49，能精准捕捉从手指弯曲到关节运动等人体动作。

3. 摩擦纳米发电机(TENG)应用
作为TENG电极时产生100 V开路电压，可持续为电子表供电，并通过摩尔斯电码实现信号传输，验证了自供电系统的可行性。

结论与意义
该研究通过分子设计解决了水凝胶多功能集成难题：1）动态配位键赋予材料自修复特性；2）EG的引入打破冰晶形成路径，实现抗冻；3）分级网络结构兼顾高延展性与导电性。发表于《Biomacromolecules》的这项工作，为开发适用于极端环境的多功能柔性电子器件提供了普适性策略，在远程医疗监测和智能机器人领域具有重要应用前景。