pH响应性淀粉/海藻酸钠杂化水凝胶的智能监测应用：抗菌、可降解与高灵敏度传感

本研究针对传统pH监测技术易受环境干扰的难题，通过热聚合法开发了兼具抗菌性和pH响应性的聚丙烯酸/海藻酸钠/淀粉水凝胶(PAA/SA/SH)。该材料在pH 2-12范围内呈现400%-9200%的溶胀率变化，并实现电导率与pH的精准关联，为可穿戴设备监测体液pH波动提供了新型解决方案，在个性化医疗和智能诊断领域具有重要应用价值。

　　

随着柔性传感技术的快速发展，实时监测人体生理参数的需求日益迫切。传统传感器受限于刚性结构和环境干扰，难以准确捕捉运动状态下体液pH的动态变化——这一指标与囊性纤维化、伤口感染等多种病理状态密切相关。更棘手的是，现有pH检测多依赖显色反应，在黑暗环境或复杂背景下可靠性大幅降低。

江南大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表的研究中，创新性地将玉米淀粉(Starch)与海藻酸钠(SA)通过热聚合交联，构建了具有三维网络结构的聚丙烯酸/海藻酸钠/淀粉水凝胶(PAA/SA/SH)。通过引入d-柠檬烯赋予抗菌特性，并利用丙烯酸(AA)和衣康酸(IA)的羧基电离响应机制，使材料在pH 2-12范围内产生高达23倍的溶胀率梯度变化。这种溶胀行为通过改变内部孔隙率和含水量，直接调控水凝胶的电导率，从而将pH信号转化为可远程读取的电信号。

研究采用SEM观测多孔结构、FTIR分析官能团、XRD表征结晶度、TGA评估热稳定性等系列表征技术。通过调节AA/IA摩尔比(3:1至1:3)优化pH敏感性，并测试了不同pH缓冲液中的溶胀动力学。力学测试显示拉伸强度达0.38MPa，断裂伸长率超过400%，同时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率超过90%。

形态结构分析显示，未溶胀水凝胶孔径为50-100μm，在pH12环境下溶胀后扩大至200-300μm。FTIR光谱证实了SA的-COO^-特征峰(1610cm^-1)和淀粉的-OH振动峰(3280cm^-1)的存在。溶胀实验表明，在pH7.4时达到平衡溶胀比5800%，而pH2环境下仅维持400%。电导率测试揭示其与溶胀度的线性关系(R²>0.98)，在pH7-9区间灵敏度最高。

这项研究成功开发出集pH响应、抗菌、可降解于一体的智能水凝胶，其创新性体现在：①用导电信号替代传统显色检测，解决环境干扰问题；②通过天然多糖复合改善纯PAA的机械性能；③整合d-柠檬烯实现抗菌功能化。该材料为慢性伤口pH监测、运动生理评估等场景提供了新工具，特别是其9200%的溶胀率和0.15S/cm的电导率变化，为开发下一代医疗级可穿戴设备奠定了材料基础。伦理审查批件(JNU202412RB033)确保研究符合赫尔辛基宣言要求，三位作者Juan Lei、Kunlin Chen和Hua Qiu分别贡献了实验设计、数据分析和论文撰写工作。