三维打印离子导电水凝胶的力学性能调控及其在可穿戴应变传感器中的应用

针对柔性传感器机械性能与传感性能难以兼顾的难题，研究人员通过双离子协同策略（Fe3+/Li+）优化N-(2-氨基-2-氧乙基)丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/甲基纤维素（NAGA/CMCS/MC）水凝胶网络，结合直接墨水书写（DIW）技术实现高精度3D打印。所得水凝胶兼具高弹性模量（266 kPa）、韧性（1245 kJ/m3）和应变灵敏度（GF=2.57），为可穿戴电子设备提供创新解决方案。

　　

柔性传感器作为可穿戴设备的核心组件，在健康监测、人机交互等领域展现出巨大潜力。然而，传统传感器往往面临机械性能与电学性能难以平衡的困境——弹性体基质的低延展性限制了应变范围，而高灵敏度通常以牺牲材料强度为代价。更棘手的是，现有制备技术如模板法难以实现复杂结构的一体化成型，制约了传感器的定制化发展。在这一背景下，导电水凝胶因其类皮肤模量和生物相容性成为研究热点，但如何通过可控制备同时实现"高强-高韧-高敏"仍是未解难题。

新疆维吾尔自治区自然科学基金支持的研究团队创新性地提出"双离子协同增强"策略，通过Fe³⁺/Li⁺离子共掺杂调控水凝胶网络结构，结合直接墨水书写（DIW）3D打印技术，成功制备出力学性能可调的离子导电水凝胶。相关成果发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》，为解决柔性传感器的性能瓶颈提供了新思路。

研究采用紫外光引发聚合结合溶液浸渍法构建双网络水凝胶，通过扫描电镜（SEM）、流变仪和万能试验机表征材料特性，并组装成三明治结构传感器测试电学性能。关键创新在于利用Fe³⁺的配位交联与Li⁺的静电屏蔽效应协同优化网络结构。

打印工艺参数优化
通过调节气压（0.2-0.3 MPa）和打印速度（5-15 mm/s）实现高保真成型，25℃下储能模量（G'）达12.4 kPa确保挤出丝材的形态稳定性，紫外固化后形成共价交联的NAGA/CMCS/MC（NCM）初级网络。

双离子协同增强机制
SEM显示Fe³⁺处理组（NCMF）孔径缩小至50-100 μm，而Fe³⁺/Li⁺共处理组（NCMFL）呈现更均匀的多孔结构。Fe³⁺与CMCS的-COO^-形成配位键增强刚性，Li⁺则通过破坏氢键网络提升链段移动性，使断裂伸长率从纯NCM的210%提升至437%，压缩强度提高3.2倍。

传感性能突破
网状结构水凝胶在300%应变范围内保持GF=2.57的高灵敏度，响应时间531 ms，100次60%应变循环后电阻变化率<5%。实际测试中可准确识别脉搏（ΔR/R₀=0.12）和关节弯曲（ΔR/R₀=1.83）等生理信号。

该研究通过"共价交联+离子配位"的双网络设计理念，实现了水凝胶刚度-韧性-延展性的精准调控。DIW技术赋予材料结构设计自由度，而双离子策略为高性能柔性电子提供普适性方法学参考。特别值得注意的是，CMCS的生物降解性为开发环境友好型电子器件开辟了新路径，但其长期体内稳定性仍需进一步验证。未来通过引入动态共价键可能进一步提升材料的自修复特性，推动可穿戴设备向智能化方向发展。