光交联复合水凝胶传感器的协同优化策略及其在人体运动监测中的应用

本研究通过"一步法"结合光交联与三元溶剂交换策略，开发出具有双网络结构的PVA/AA@Gel/HACC/SDS（PAGHS）复合水凝胶。该材料突破传统水凝胶机械强度与环境稳定性的限制，实现6.12 MPa拉伸强度、523%断裂伸长率及GF=1.75的高灵敏度，为可穿戴电子设备提供新型传感解决方案。

　　

在柔性电子设备快速发展的今天，水凝胶基传感器因其优异的生物相容性和组织相似性，被视为健康监测和人机交互的理想材料。然而传统物理交联的聚乙烯醇(PVA)水凝胶存在机械强度不足、环境稳定性差等缺陷，而化学交联体系又面临生物毒性问题。这一矛盾严重制约了水凝胶在可穿戴领域的实际应用。

针对这一技术瓶颈，先进橡胶材料教育部重点实验室的研究团队在《Materials Today Communications》发表创新成果。研究人员采用"一步法"协同优化策略，以聚乙烯醇(PVA)、丙烯酸(AA)、明胶(Gel)、羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)等为原料，通过紫外光引发自由基聚合构建主交联网络，结合Ca²⁺介导的离子交联形成次级网络，再经AlCl₃·6H₂O/甘油/水三元溶剂交换处理，成功制备出具有双重增强机制的PAGHS复合水凝胶。

研究主要运用了以下关键技术：光交联固化技术实现网络结构精确调控；动态共价键与静电相互作用协同增强策略；三元溶剂交换法提升环境稳定性；电化学阻抗谱评估导电性能；循环加载测试验证疲劳特性。

【材料与制备】
通过傅里叶变换红外光谱证实了PVA与AA的成功交联，X射线衍射显示Ca²⁺的引入使结晶度提升42%，扫描电镜观察到独特的蜂窝状多孔结构，孔径分布在20-50μm范围。

【机械性能】
拉伸测试显示最优组别拉伸强度达6.12 MPa，较传统PVA水凝胶提高8倍；压缩实验表明在80%应变下仍保持完整结构，2000次循环后能量耗散率仅降低7.3%，证实优异的抗疲劳特性。

【传感性能】
在0-400%应变范围内表现出1.75的应变系数(GF)，响应时间266 ms。手指弯曲监测实验中，电阻变化与关节角度呈线性相关(R²=0.98)，手写识别准确率达94.7%。

【环境稳定性】
经三元溶剂处理后的样品在25℃/60%RH环境下放置30天后，导电性能衰减<15%，而传统水凝胶组衰减达65%。

该研究通过创新的双网络设计和溶剂交换策略，成功解决了水凝胶机械性能与环境稳定性的矛盾问题。PAGHS水凝胶展现的优异综合性能，不仅为可穿戴传感器提供了新材料选择，其"一步法"制备工艺更具产业化应用潜力。特别是材料在宽应变范围内的稳定响应特性，为开发新一代智能健康监测设备奠定了技术基础。研究提出的协同增强机制，也为其他功能水凝胶的设计提供了重要参考。