高导电超拉伸自粘附纤维素水凝胶的构建及其在柔性传感器中的应用研究

针对传统柔性传感器材料机械性能与导电性难以兼顾的问题，华南理工大学团队通过将羧甲基纤维素（CMC）与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（ATAC）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）光聚合，开发出兼具高导电性（8.2 S/m）、超拉伸性（>1701%应变）和强自粘附（10.39 kPa）的双网络水凝胶。该材料可灵敏检测人体运动（应变系数2.15），为可穿戴电子设备提供了新型生物基解决方案。

　　

在智能可穿戴设备爆发的时代，柔性传感器如同人体的"第二层皮肤"，但金属导体的僵硬性与合成材料的生物不相容性始终是难以逾越的障碍。传统离子导电水凝胶（Ionic Conductive Hydrogels, ICHs）虽具备柔韧性，却常因机械强度不足（<0.5 MPa拉伸强度）和低温失活等问题，无法满足健康监测中对大变形（如关节弯曲）与微应变（如脉搏跳动）的双重检测需求。更棘手的是，现有材料往往需要额外粘合剂固定，这既影响佩戴舒适度，又会干扰信号传输。

针对这些挑战，华南理工大学的研究团队独辟蹊径，从地球上最丰富的天然高分子——纤维素中寻找答案。他们利用羧甲基纤维素（Carboxymethylcellulose, CMC）分子链上密集的羟基与羧基，与带正电的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（Acryloyloxyethyltrimethyl ammonium chloride, ATAC）和含磺酸基的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（2-Acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, AMPS）构建"刚柔并济"的双网络结构。这项突破性成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》，为生物基柔性电子材料树立了新标杆。

关键技术方法
研究采用光引发自由基聚合技术，通过光引发剂Irgacure 2959激活ATAC与AMPS的单体交联，同时利用MBAA（N,N′-亚甲基双丙烯酰胺）构建第二网络。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证分子相互作用，动态机械分析（DMA）评估能量耗散机制，电化学工作站测试离子电导率，并建立人体运动监测模型验证实际应用性能。

研究结果

材料设计与表征
通过ATAC的季铵盐阳离子与AMPS的磺酸根阴离子构建"离子高速公路"，配合CMC的羟基网络形成三重导电机制。冷冻扫描电镜显示独特的蜂窝状多孔结构（孔径20-50 μm），这种结构使水凝胶在-20℃仍保持85%导电率。

机械与粘附性能
得益于动态氢键与离子键的协同作用，水凝胶展现惊人的1701%断裂伸长率，其粘附强度（10.39 kPa）足以牢固贴合皮肤而不留残胶。剪切实验表明，对玻璃、橡胶等基材的粘附力超过人体汗液分泌的冲刷阈值。

电学响应特性
在500%应变范围内，电阻变化率与应变呈线性关系（R²>0.98），应变系数（GF）达2.15。实际测试中，不仅能清晰捕捉手指90°弯曲的大变形信号，还可识别0.1%级别的微应变（如颈动脉搏动）。

生物相容性与稳定性
细胞毒性试验显示72小时存活率>95%，在模拟人体环境（37℃, 95%湿度）下连续工作7天性能衰减<5%，远优于传统PVA基水凝胶（通常3天内失效）。

结论与展望
该研究通过仿生设计将纤维素转化为高性能电子材料，其创新性体现在：①首创CMC/ATAC/AMPS三元体系，实现导电性-延展性-粘附性的完美平衡；②揭示离子键-氢键协同耗能机制，为柔性材料力学设计提供新思路；③开发出可规模化生产的一步光聚合法。这种水凝胶传感器已成功应用于帕金森病患者的手部震颤监测，其生物降解特性更符合"双碳"战略需求。未来通过引入无线传输模块，有望发展成新一代闭环医疗监测系统。