pH响应性双微交联水凝胶的协同增强机制及其在柔性电子皮肤中的应用

针对传统水凝胶机械性能不足的问题，研究人员通过设计pH响应性软微凝胶（MGs）和乙烯基功能化活性微凝胶（GMGs）作为物理/化学双微交联剂，构建了兼具高韧性和弹性的双交联水凝胶（MDC-x MG-y GMG）。该材料在1.0 wt% MG和0.3 wt% GMG配比下展现协同效应，拉伸性能显著提升，结合碳纳米管（CNTs）后更实现超低滞回导电特性，为柔性电子皮肤和健康监测提供新策略。

　　

研究背景与意义

水凝胶因其高含水率和生物相容性，在生物医学和柔性电子领域备受关注。然而，传统水凝胶的“脆弱的本质”长期制约其实际应用——就像试图用果冻建造桥梁，机械强度不足导致易断裂。尽管科学家们尝试通过双网络结构、牺牲键等策略增强性能，但往往面临制备复杂或材料普适性差的困境。如何像自然界中蜘蛛丝那样，同时实现韧性与弹性的完美平衡，成为材料领域的重大挑战。

广东医科大学等机构的研究团队独辟蹊径，从微观交联设计入手，开发了pH响应性双微交联水凝胶系统。通过物理交联微凝胶（MGs）和化学交联活性微凝胶（GMGs）的协同作用，成功制备出断裂应变达1000%以上的超拉伸材料，并进一步赋予其导电功能用于健康监测。这项发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的研究，为智能柔性器件开发提供了全新思路。

关键技术方法

研究采用乳液聚合法合成pH响应性PEA-MAA-BDDA微凝胶（MGs），通过环氧开环反应接枝GMA制备乙烯基功能化GMGs。将两种微交联剂分散于丙烯酰胺（AAm）溶液，通过自由基聚合构建三类水凝胶：物理交联MPC-x
MG、化学交联MCC-y
GMG及双交联MDC-x
MG-y
GMG。通过动态光散射（DLS）表征微凝胶尺寸，傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证官能团修饰，并系统测试不同pH和组分比例下的力学性能。最后引入碳纳米管（CNTs）制备导电水凝胶，结合LSTM神经网络实现血压预测。

研究结果

材料设计与表征

合成的PEA-MAA-BDDA MGs粒径<300 nm，其表面羧基与GMA反应后成功引入乙烯基（FTIR证实）。pH调控实验显示，碱性条件下MGs溶胀度增加，因PMAA链段解离增强静电斥力。这种pH响应性为后续力学性能调控奠定基础。

机械性能调控机制

对比三类水凝胶发现：

• 纯物理交联MPC-1.0MG依赖氢键和链缠结，展现高韧性但弹性回复差；
• 纯化学交联MCC-0.3GMG因共价网络具有良好弹性，但断裂能较低；
• 双交联MDC-1.0MG-0.3GMG产生协同效应，拉伸应变达1200%且滞后损耗仅15%，归因于物理交联的能量耗散与化学交联的网络稳定性互补。

导电水凝胶应用

掺入CNTs的MDC水凝胶导电率达0.8 S/m，在500次拉伸循环后电阻变化<5%。作为电子皮肤可精准监测关节运动，其压力灵敏度（GF=2.1）适用于脉搏波检测。结合LSTM模型分析波形特征，实现了±5 mmHg精度的无创血压预测。

结论与展望

该研究创新性地提出“双微交联”策略，通过pH响应性MGs和GMGs的分子设计，解决了传统水凝胶难以兼顾韧性与弹性的难题。MDC水凝胶的优异性能源于：①微交联剂小尺寸（_dz

<300 nm）确保均匀分散；②物理/化学交联的动态平衡；③pH可调的链构象变化。所开发的导电水凝胶在柔性电子和健康监测领域展现出明确的应用前景，特别是为可穿戴医疗设备提供了新材料选择。未来可通过引入更多功能性单体（如温敏性NIPAm），进一步拓展材料的智能化应用场景。