疏水相互作用与纤维素纳米纤维共同增强了PVA/PAM多网络导电水凝胶的性能，使其具备高灵敏度、快速响应以及优异的机械特性

《Carbohydrate Polymers》：Hydrophobic associations and cellulose nanofibers reinforced PVA/PAM multi-network conductive hydrogel with high sensitivity, fast response, and excellent mechanical properties

双网络水凝胶通过引入疏水相互作用和纤维素纳米纤维（CNF）协同增强机械性能与导电性，实现1.82 MPa拉伸强度、5.41 MJ/m3韧性及7.89灵敏度，适用于智能穿戴和机器人控制

　　在当前科技迅猛发展的背景下，柔性传感器因其独特的应用前景，正在成为材料科学和电子工程领域的重要研究方向。随着人们对健康监测和人机交互需求的不断增长，开发具有优良机械性能、高韧性、高灵敏度以及快速响应能力的柔性传感器成为研究热点。其中，水凝胶作为一种具有高含水量、优异生物相容性和良好柔韧性的材料，被广泛认为是柔性传感器的理想候选材料。然而，传统水凝胶在机械强度、导电性以及能量耗散能力等方面仍存在一定的局限性，难以满足实际应用中对高性能柔性传感器的需求。因此，如何通过简单、环保的方法提升水凝胶的综合性能，成为当前研究的关键挑战。

针对这一问题，研究人员提出了多种增强策略，包括纳米复合水凝胶、超分子水凝胶、多氢键水凝胶以及双网络水凝胶等。这些方法通过引入不同的结构或成分，有效提升了水凝胶的机械性能和导电性。例如，聚乙烯醇（PVA）因其良好的生物相容性和可降解性而受到关注，但其机械性能相对较弱。而聚丙烯酰胺（PAM）虽然具有良好的可塑性和化学稳定性，但其过于致密的聚合网络常常导致材料脆性增加，影响其在柔性传感器中的应用。为了克服这些缺点，学者们尝试构建由PAM和PVA组成的双网络结构，以实现机械性能的显著提升。这种方法不仅增强了水凝胶的强度，还通过物理网络的构建提高了其延展性和韧性。

此外，为了进一步提升水凝胶的导电性，研究者通常会在材料中引入导电性添加剂，如金属颗粒、MXene、石墨烯、黑磷以及导电聚合物等。这些材料能够有效改善水凝胶的导电性能，使其适用于生物传感器和柔性电子器件等应用场景。然而，这类导电性添加剂往往与水凝胶基体之间的相互作用较弱，容易出现团聚现象，从而降低材料的整体性能。同时，一些方法通过改变溶剂来提升导电性，但高浓度盐溶液的使用可能导致聚合物链的聚集，使水凝胶变得僵硬，影响其柔韧性和延展性。

在此背景下，研究人员开始探索将天然材料引入水凝胶体系，以实现性能的全面提升。纤维素纳米纤维（CNF）作为一种来源于天然纤维素的纳米材料，因其高杨氏模量、高长径比和高表面活性而受到广泛关注。CNF不仅能够增强水凝胶的机械性能，还能通过与水凝胶基体之间的氢键相互作用，改善其导电性和能量耗散能力。例如，已有研究表明，将CNF引入PAM聚合网络中，可以显著提高水凝胶的机械强度，使其达到原始样品的2.6倍。而通过反复冷冻和解冻，使CNF与PVA之间的羟基形成广泛的氢键，进一步增强了水凝胶的延展性和韧性，使其在柔性传感器中展现出良好的应用潜力。

基于上述研究思路，本研究提出了一种新的复合水凝胶设计方法，旨在通过引入疏水相互作用和纤维素纳米纤维，构建一种具有优异综合性能的柔性传感器材料。该方法以PAM和PVA组成的双网络结构为基础，通过疏水相互作用增强第一聚合网络，同时利用纤维素纳米纤维与PVA之间的氢键相互作用，构建第二增强网络。这种设计不仅提高了水凝胶的机械性能，还通过复杂的交联结构增强了其能量耗散能力，从而实现了材料的高韧性、良好的疲劳抵抗性和快速响应性。

具体而言，疏水相互作用通过引入疏水性单体，如十八烷基甲基丙烯酸酯（SMA），与PAM形成紧密的网络结构，从而提升了水凝胶的整体强度。同时，纤维素纳米纤维作为增强剂，不仅参与了第二网络的构建，还在聚合网络中起到了“绳索”的作用，增强了材料的延展性和稳定性。这种双网络结构的设计使得水凝胶在受到外部力作用时，能够通过多个网络的协同作用实现能量的高效耗散，从而显著提升了其机械性能和疲劳抵抗能力。实验结果显示，该复合水凝胶的拉伸强度达到了1.82 MPa，韧性高达5.41 MJ/m3，表现出卓越的机械性能。

除了机械性能的提升，该复合水凝胶还展现出优异的导电性。通过在疏水微球中引入NaCl，水凝胶内部形成了良好的导电通道，使其导电能力达到535 mS/m。这种高导电性使得水凝胶能够实现对人类关节运动的实时监测，并且能够与外围电路集成，用于控制机械手等智能设备。这一特性对于开发高性能的柔性传感器具有重要意义，尤其是在生物传感、人机交互和智能电子皮肤等领域。

此外，该复合水凝胶还具有良好的自修复能力。通过引入疏水相互作用和纤维素纳米纤维，水凝胶在受到损伤后能够通过氢键的重新形成和疏水微球的自组装，实现结构的恢复。这种自修复特性不仅延长了水凝胶的使用寿命，还提高了其在实际应用中的稳定性。实验结果表明，该水凝胶在经历多次拉伸和压缩后仍能保持良好的性能，表现出出色的疲劳抵抗性。

在实际应用方面，该复合水凝胶展现出广阔的应用前景。其优异的机械性能和导电性使其能够用于制造高灵敏度的柔性传感器，适用于健康监测、运动跟踪和智能穿戴设备等场景。同时，其良好的自修复能力和稳定性也为其在生物医学工程中的应用提供了可能，如组织工程支架、药物输送系统和生物电子器件等。此外，该水凝胶还可以与外围电路集成，实现对机械手等智能设备的精确控制，推动柔性电子技术的发展。

本研究提出的方法不仅在材料设计上具有创新性，而且在制备过程中也强调了简单性和环保性。通过合理的材料选择和结构设计，该方法能够在不使用复杂设备和昂贵试剂的情况下，实现高性能水凝胶的制备。这为未来大规模生产和应用提供了可行的路径，同时也降低了材料制备的成本，提高了其在实际应用中的经济性。

在研究过程中，所有涉及人类受试者的实验均遵循世界医学协会的伦理原则，确保研究的科学性和伦理性。志愿者在参与运动传感测试时，其性别并未对研究结果产生显著影响，所有数据均在知情同意的前提下进行采集和发布。此外，本研究未涉及任何可能影响研究结果的商业利益冲突，所有作者均声明不存在已知的财务或个人关系，能够确保研究的客观性和公正性。

总的来说，本研究通过引入疏水相互作用和纤维素纳米纤维，构建了一种具有优异机械性能、高导电性、高灵敏度和良好自修复能力的复合水凝胶。这种新型材料不仅在性能上超越了传统水凝胶，还为柔性传感器的发展提供了新的思路和方法。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种复合水凝胶有望在更多领域得到应用，推动柔性电子和生物医学工程的发展。同时，该方法的简单性和环保性也为大规模生产和实际应用提供了可能性，具有重要的科学价值和应用前景。