基于细菌纤维素的空间限制和骨架强化的动态可重构导电水凝胶：信号识别与人机交互

《Carbohydrate Polymers》：Dynamically reconfigurable conductive hydrogels based on the spatial confinement and backbone reinforcement of bacterial cellulose: Signal recognition and human-computer interaction

　　

王新慧|李梦晨|王永贵|环思琪|杨海英|王东|何明

教育部 pulp and paper science and technology key laboratory, 山东科技大学（山东科学院），济南，250353，中国

摘要

传统的氢凝胶由于依赖永久性的化学交联或牺牲性的键能耗散，难以在机械韧性和信号稳定性之间取得平衡。为了解决这个问题，本研究介绍了一种完全通过物理交联实现的、可动态重构的超弹性细菌纤维素/单宁酸-MXene/聚丙烯酰胺（BC/TA-MXene/PAM）双网络导电氢凝胶。该氢凝胶以BC作为连续骨架，TA-MXene作为导电填料，PAM作为柔性网络，并使用十二烷基硫酸钠/十八烷基甲基丙烯酸酯（SDS/C₁₈M）疏水复合物作为动态物理交联节点，从而在氢凝胶内部构建了多个网络。这种多组分协同作用（疏水结合、可逆解离/重组、氢键作用以及π-π/静电相互作用）使得氢凝胶网络在变形过程中能够实现高效的能量耗散和快速的结构恢复。同时，BC骨架为氢凝胶提供了机械支撑和空间限制，确保了界面稳定性和导电路径。实验结果表明，BC/TA-MXene/PAM氢凝胶具有优异的拉伸性能（断裂伸长率约为1300%）和韧性（2.25?MJ/m³）、抗缺口性能（断裂能15.54?kJ/m²）以及高灵敏度（GF?=?12.25）。此外，该氢凝胶在运动识别、人机交互和信号传输方面表现出稳定且可重复的电响应。本研究提供了一种可扩展的物理交联策略，用于制造可靠、可动态重构的导电氢凝胶，适用于可穿戴电子材料。

引言

近年来，可穿戴电子设备被认为是未来个人安全和健康监测系统的重要发展方向（Chen等人，2022；Kim等人，2024）。导电氢凝胶因其柔韧性、可伸展性和机械性能与皮肤高度匹配，为电子皮肤和人机交互提供了显著优势（Fang等人，2026；Housley等人，2026；Wang等人，2026）。然而，目前的导电氢凝胶传感器在重复变形或恶劣环境中仍存在结构损伤、信号漂移和响应延迟等问题（Jung等人，2022；Peng等人，2025；Rahman等人，2023；Wu等人，2026）。理论上，通过氢凝胶内部的连续、稳定的三维传输框架和网络通道，可以生成稳定、清晰且可重复的电化学信号（Sun等人，2025；Zhang等人，2026）。然而，大多数现有的导电氢凝胶系统主要使用聚丙烯酰胺（PAM）等柔性聚合物网络作为主要结构成分。虽然这类氢凝胶在柔韧性和粘附性方面具有明显优势，但其网络结构缺乏有效的多尺度约束，在复杂变形或长期循环载荷下容易发生结构松弛和界面不稳定。同时，二维导电纳米材料MXene因其高导电性、丰富的表面官能团和良好的界面相容性而被广泛用于构建氢凝胶内的电子网络通道，从而提高了柔性电子设备的信号响应性能（Wan等人，2023；Yu等人，2026）。

然而，仅将MXene导电网络添加到PAM系统中容易导致氧化、堆叠和分布不均等问题。因此，使用具有线性长链结构的天然多糖骨架（易于形成氢键网络）被认为是提高导电氢凝胶稳定性和可靠性的有效策略（Xiaosen Pan等人，2023；Wei等人，2025）。细菌纤维素（BC）是一种由高纵横比超细纳米纤维组装而成的天然多糖，形成了缠结且高度互连的三维网络。它还具有高纯度、优异的机械性能和良好的生物相容性（Lormaneenopparat等人，2023；Xu等人，2025）。这些结构特性使BC不仅能够作为应力传递的增强支架，还能够作为与聚合物链和功能性纳米填料相互作用的氢键富集界面平台。因此，BC可以显著提高氢凝胶网络的整体结构完整性，并在变形过程中为功能组件提供有效的空间限制（Nascimento等人，2018；Tang等人，2021；Wang等人，2025）。基于这些考虑，我们假设引入多糖BC骨架将提高PAM/MXene氢凝胶的结构稳定性并改善MXene的分散均匀性，即：（i）BC网络可以防止PAM基质在重复循环载荷下的结构松弛和界面损伤；（ii）BC纳米纤维形成的受限微环境可以抑制MXene纳米片的聚集和氧化，确保形成稳定且连续的导电路径。

基于上述假设，本研究通过多阶段物理交联过程，采用一锅法制备了一种蜂窝状的BC/单宁酸（TA）-MXene/PAM导电氢凝胶，该凝胶具有双嵌套网络结构。该凝胶表现出高灵敏度、优异的机械性能和自修复能力。其第一个网络由AM单体共聚形成的PAM构成，第二个网络包含TA改性的MXene和BC。在这些组分中，PAM作为柔性网络，TA-MXene提供导电性，BC作为结构骨架。BC在系统中形成连续稳定的三维支撑框架，为PAM的柔性聚合物段提供机械增强。这提高了氢凝胶网络在大变形和循环载荷下的稳定性。同时，BC有效限制了TA-MXene的堆叠，保持了连续的导电路径。十二烷基硫酸钠（SDS）和十八烷基甲基丙烯酸酯（C₁₈M）通过疏水结合促进氢凝胶中的物理交联点的形成，在聚合和变形过程中为网络提供瞬态空间约束和能量耗散通道。此外，木质素磺酸钠（LS）通过多种非共价相互作用在多网络界面之间形成超分子桥，从而加强了嵌套网络之间的界面结合。甘醇（Gly）的添加赋予了氢凝胶优异的抗冻性能。值得注意的是，作为类似皮肤的传感器，由SDS-C₁₈M、LS和Gly共同构建的BC/TA MXene/PAM（命名为HBMLG）导电氢凝胶表现出优异的拉伸性能（1300%应变）、高灵敏度（GF?=?12.25）、快速响应（210?ms）和恢复时间（230?ms），并且在4000次循环后仍保持稳定的传感性能。该凝胶能够承受复杂变形，并生成清晰、稳定、可区分且可重复的电信号。在受控机械刺激下，它产生具有明显时间特征的脉冲式输出，实现了信号编码。这些特性使得该凝胶可以集成到智能传感器中，用于人体运动识别和人机交互，凸显了其在可穿戴电子领域的潜力。

章节片段

材料

MXene纳米片（按照支持信息中的描述制备）。单宁酸（TA，AR）和十八烷基甲基丙烯酸酯（C₁₈M）购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd。去离子水中的细菌纳米纤维素分散液（BC）由桂林启鸿科技有限公司提供（纤维素含量：0.8?wt%；纯度：≥99%；纤维尺寸：长度约20?μm，直径50–100?nm）。丙烯酰胺（AM）、甘醇（Gly，AR）、木质素磺酸钠（LS）和N,N′-四甲基乙烯二胺（TEMED）

凝胶的制备和设计原理

为了避免依赖永久性化学交联或不可逆的牺牲性键来实现机械增强，我们设计了一种具有动态重构能力的物理交联导电氢凝胶。通过结合疏水结合诱导的物理交联和多组分超分子相互作用，形成了无需任何化学交联剂的嵌套双网络结构。所得到的HBMLG氢凝胶表现出高可伸展性、自主性

结论

总之，我们提出了一种制备完全物理交联且可动态重构的超弹性细菌纤维素（BC）/单宁酸（TA）-MXene/聚丙烯酰胺（PAM）双网络导电氢凝胶（HBMLG）的新方法。该方法依赖于BC的空间限制和骨架增强、十二烷基硫酸钠/十八烷基甲基丙烯酸酯（SDS/C₁₈M）疏水结合域的解离和重组，以及使用木质素磺酸钠作为

CRediT作者贡献声明

王新慧：撰写——原始草稿、方法学、形式分析、概念化。李梦晨：撰写——审阅与编辑、形式分析。王永贵：撰写——审阅与编辑、项目管理。环思琪：撰写——审阅与编辑、项目管理。杨海英：撰写——审阅与编辑、项目管理。王东：撰写——审阅与编辑、项目管理。何明：撰写——审阅与编辑、项目管理。

伦理声明

本研究中的所有数据均是在每位参与者明确知情同意的情况下收集的。参与人体运动感知测试的志愿者是本文的第一作者，志愿者的性别并未影响研究结果。此外，所有涉及人体的实验均遵循世界医学协会的伦理准则进行，所有程序均符合伦理标准

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。我们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了教育部 pulp and paper science and technology key laboratory（山东科学院）基金（编号：KF202207）的支持。