基于对苯二胺的协同柔性管理策略构建应变响应性自修复羧甲基纤维素水凝胶

为解决离子水凝胶在柔性传感应用中机械性能与自修复性能难以平衡的问题，海南大学研究团队创新性地提出刚柔耦合交联策略，以对苯二胺（PPD）和尿素分别作为刚性/柔性交联剂，构建了具有可调柔性（拉伸强度55.56 kPa）、高效自修复（16小时修复率90.41%）、强粘附性（铝基材粘附力221.69 kPa）及高灵敏度（GF=2.87）的CMC基水凝胶，其3.14 S/m的离子导电性和280 ms的快速应变响应为可穿戴设备开发提供了新材料。

　　

在柔性电子器件蓬勃发展的今天，离子水凝胶因其类组织柔韧性和电信号转导能力成为理想传感材料。然而，传统水凝胶面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：高交联密度虽能提升机械强度，却会牺牲自修复性能；而过软的基质虽利于分子链运动实现自修复，却难以维持器件结构稳定性。这一矛盾严重制约了水凝胶在长期可穿戴监测中的应用。更棘手的是，现有引入芳香环非共价相互作用的试剂如多巴胺价格昂贵，而单宁酸需高温溶解，均限制了规模化应用。

针对这些挑战，海南大学的研究人员独辟蹊径，选择水溶性优异、成本低廉的对苯二胺（PPD）作为刚性交联剂，与柔性交联剂尿素协同构建羧甲基纤维素（CMC）基水凝胶（简称CUP水凝胶）。这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究，通过PPD苯环的π-π堆积和氢键网络动态重组，实现了90.41%的自修复效率与55.56 kPa拉伸强度的完美平衡，其221.69 kPa的粘附力甚至超过部分商业胶粘剂。

研究团队采用紫外光谱监测PPD聚合进程，通过流变学测试优化交联比例，并利用电化学工作站评估导电性能。人体运动监测试验中，水凝胶传感器对指关节弯曲、吞咽等细微动作和膝关节大幅运动均展现出2.87的灵敏度系数（GF）和280 ms的快速响应，性能优于多数报道的天然聚合物基水凝胶。

材料与表征
通过EDC/NHS活化羧基的交联反应，PPD的胺基与CMC形成酰胺键构建刚性骨架，尿素则通过氢键增加链段移动性。紫外光谱显示520 nm处吸收峰证实PPD聚合，FT-IR中1645 cm^-1特征峰表明酰胺键成功形成。

力学性能调控
当PPD:尿素摩尔比为1:2时，水凝胶获得最优综合性能：储能模量达12.5 kPa，损耗模量仅为1.8 kPa，证明交联网络兼具弹性与粘性。拉伸实验显示断裂能较纯CMC hydrogel提升8倍，循环压缩500次后仍保持85%能量耗散效率。

自修复与粘附机制
切口实验表明，修复后水凝胶可承受90%的原始应变。XPS分析揭示修复源于苯环π-π堆积重构和氢键重组。铝板粘附测试中，PPD的苯环与金属表面形成配位键，使粘附强度达221.69 kPa，是医用纤维蛋白胶的3倍。

电学性能
3 M KCl溶液浸泡后，离子电导率升至3.14 S/m。在50-200%应变范围内，电阻变化率与应变呈线性关系（R²>0.99），监测脉搏时信噪比达32 dB。

这项研究的意义在于：其一，开创性地利用PPD实现水凝胶刚柔性能的精准调控，为天然高分子功能化提供新思路；其二，揭示苯环非共价相互作用与氢键的协同效应，为设计多功能水凝胶建立普适性策略；其三，所开发材料成本不足多巴胺体系的1/10，且无需复杂设备，具备产业化潜力。正如通讯作者Lingbin Lu强调的，该策略可扩展至其他含苯环小分子，为下一代柔性电子器件开发开辟了新航道。