多功能双网络PVA-硼砂/氧化石墨烯-纤维素纳米纤维水凝胶在可穿戴应变传感器中的应用研究

【编辑推荐】本研究创新性地构建了基于动态硼酸酯键与氢键协同作用的PVA-Borax/GO-CNF（PBGC）双网络导电水凝胶，其电子-离子双导电机理使材料兼具0.96 MPa拉伸强度、512.8%断裂伸长率和1.03 S m?1电导率，749%应变灵敏度突破传统水凝胶性能瓶颈，为医疗监测与电子皮肤（e-skin）提供了新型生物相容性传感解决方案。

　　

【研究亮点】

通过动态硼酸酯键（PVA-Borax网络）与刚性共价键（GO-CNF网络）的协同作用，设计出具有双重能量耗散机制的多功能水凝胶。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）证实了硼酸酯键与氢键的成功构建，扫描电镜（SEM）显示三维多孔结构（孔径20-50 μm），为电子传输提供理想通道。

【双网络结构表征】

PBGC水凝胶的第一网络由聚乙烯醇（PVA）与硼砂通过硼酸酯键交联形成，第二网络通过氧化石墨烯（GO）与纤维素纳米纤维（CNF）的π-π堆叠构建。流变测试显示储能模量（G'）达12.5 kPa，损耗角正切值（tanδ）为0.32，证明其优异的弹性恢复性能。这种"刚柔并济"的结构使材料在500%应变下仍保持完整导电通路。

【机械性能突破】

通过动态共价键的"牺牲-重组"机制，PBGC水凝胶实现48.13 MJ m^?3的超高韧性，是纯PVA水凝胶的2.3倍。循环拉伸测试中，第100次循环的应力保持率达89.7%，证实其出色的抗疲劳特性。壳聚糖（CS）的引入使界面粘附强度提升至28.9 kPa，满足可穿戴设备长期佩戴需求。

【导电性能优化】

GO与CNF构建的连续导电网络使灵敏度（GF值）达749%，在50-300%应变区间呈现三段式响应特性。电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻（R_ct）仅42 Ω，证实电子主导（占比78%）、离子辅助的双重导电机理。该传感器可实时监测脉搏、关节运动等生理信号，响应时间<100 ms。

【结论】

PBGC水凝胶通过仿生双网络设计，将传统水凝胶的拉伸强度（0.96 MPa）与断裂伸长率（512.8%）提升至新高度。其特有的"电子-离子双通道"传导机制，为开发兼具高灵敏度（GF=7.49）和机械稳定性的新一代医用可穿戴传感器提供了创新材料平台。