高强度导电双网络纳米复合水凝胶的跨基质粘附特性及其在可穿戴传感器中的性能增强研究

为解决传统导电水凝胶机械性能弱、粘附性不足的问题，上海科研团队通过原位光聚合开发了PAM/PVA/BC-NaCl双网络水凝胶。该材料兼具高拉伸性（断裂应变1019%）、强韧性（2.14 MJ/m3）及多基质粘附能力，其离子网络设计实现了关节运动精准监测，为可穿戴传感器技术提供新方案。

　　

在柔性电子器件蓬勃发展的今天，水凝胶因其类生物组织的柔软性和生物相容性被视为理想传感材料。然而传统导电水凝胶面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：提升导电性往往牺牲机械强度，而增强韧性又会降低应变敏感性。更棘手的是，多数水凝胶难以在人体剧烈运动时保持稳定粘附，导致运动信号采集失真。这些瓶颈严重制约了其在智能医疗、人机交互等领域的应用。

针对这一挑战，上海科研团队在《Polymer》发表的研究中，创新性地将细菌纤维素(BC)的纳米纤维网络与聚丙烯酰胺(PAM)/聚乙烯醇(PVA)双网络结合，通过NaCl诱导的霍夫迈斯特效应(Hofmeister effect)调控材料性能，开发出具有革命性突破的PAM/PVA/BC_x-NaCl_y水凝胶。研究采用紫外光引发原位聚合技术，通过系统优化BC和NaCl的配比，成功实现了材料性能的精准调控。

设计原理与材料合成
研究团队采用"一锅法"光聚合策略：先将AM、PVA、交联剂MBA和NaCl配制成前驱体溶液，通过超声分散引入BC纳米纤维，在光引发剂Irgacure 2959作用下形成三维网络。BC的羟基与聚合物链形成氢键网络，而Na⁺不仅提升导电性，还通过盐析效应促进网络致密化。这种多尺度协同作用使材料同时获得优异的力学性能和功能特性。

机械性能表征
优化后的水凝胶展现出惊人的力学表现：断裂应力达406 kPa，断裂伸长率突破1019%，杨氏模量0.981 MPa，韧性值2.14 MJ/m³。循环拉伸测试表明，材料在400%应变下经过5次循环仍保持90%能量耗散效率，这归功于BC纤维网络的能量耗散机制和Na⁺介导的可逆静电相互作用。

粘附性能研究
该水凝胶对木材、玻璃、金属和皮肤等多种基质表现出卓越的粘附性。特别在人体皮肤测试中，其粘附强度达到12.5 kPa，远超常规医用胶贴。研究人员发现，PVA的羟基与BC纤维形成的动态氢键网络是实现可重复粘附的关键，而NaCl的加入进一步优化了界面润湿性。

传感性能验证
离子导电网络赋予材料高达1.3 S/m的电导率和优异的应变响应性。在人体关节运动监测中， hydrogel传感器能准确捕捉手指弯曲（0-90°）、手腕旋转等细微动作，应变系数(GF)达2.1，信号响应时间<100 ms。连续使用8小时后电阻波动<5%，展现出出色的稳定性。

这项研究通过巧妙的材料设计，首次在单一水凝胶体系中整合了高强度、可拉伸性、自粘附和高灵敏度等以往难以兼得的特性。Nan Lu等研究者开发的策略不仅为可穿戴传感器提供了性能优异的候选材料，其提出的"纳米纤维增强+离子网络调控"双效协同机制更为功能水凝胶的设计开辟了新思路。该成果的产业化应用将推动智能医疗监测、柔性机器人等领域的技术革新，特别是为需要长期贴附的生理信号监测设备提供了材料基础。值得注意的是，研究中采用的BC和PVA均为生物可降解材料，符合可持续发展理念，展现出广阔的环境友好型电子器件应用前景。