《Carbohydrate Polymers》：Bamboo-node-inspired cellulose nanofiber-based conductive aerogel for motion monitoring
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摘要具有优异生物相容性、高孔隙率和易功能化特性的生物质基导电气凝胶，是新一代可持续高性能压阻传感器的关键材料。然而，传统气凝胶的单层片状结构和导电纳米材料的本征团聚倾向，严重制约了生物质基气凝胶的力学和应变传感性能。本文受天然竹节结构的启发，开发了一种新颖的凝胶化-限域策略，
摘要
具有优异生物相容性、高孔隙率和易功能化特性的生物质基导电气凝胶，是新一代可持续高性能压阻传感器的关键材料。然而，传统气凝胶的单层片状结构和导电纳米材料的本征团聚倾向，严重制约了生物质基气凝胶的力学和应变传感性能。本文受天然竹节结构的启发，开发了一种新颖的凝胶化-限域策略，通过在纤维素纳米纤维（CNFs）中引入金属凝胶（MOGs）和碳纳米管（CNTs），构建了独特的竹节增强结构。所制备的CNF基气凝胶展现出优异的力学稳定性，在50%应变下可承受超过5000次压缩循环。同时，将该气凝胶集成到柔性压阻传感器中，赋予器件全面的应变传感性能，包括高线性灵敏度（0–2 kPa范围内S = 4.14 kPa?1；2–92 kPa范围内S = 1.88 kPa?1）和低压力检测限2.21 Pa。这些多功能特性赋予了该复合气凝胶在运动监测领域的巨大应用潜力。
引言
随着人们对健康的关注度日益提高，用于运动监测的轻量化柔性压力传感器引起了广泛的研究兴趣，因为它们能够可靠地检测人体运动状态（Ju等，2025；Zhang等，2025；Jiang等，2024；Zhang等，2024；Zhuang等，2023；Liang等，2024）。根据工作原理，这些传感器通常可分为四类：压电式、摩擦电式、电容式和压阻式。其中，压阻传感器因其便捷的信号采集能力而得到广泛应用（Liu等，2015；Xiong等，2025；Yang等，2025）。随着传感器性能要求的不断提高，对传感器功能基体材料提出了更高标准。在此背景下，导电弹性气凝胶从众多候选材料中脱颖而出。它们具有超低密度、可调控的电导率和优异的化学稳定性，已成为制备柔性压阻传感器的理想基体（Chen等，2021；Xu等，2021）。然而，大多数高性能导电气凝胶来源于石油化工产品，其大规模应用受限于有限的化石资源和环境问题（Mora等，2018）。与此同时，生物质的可再生和环保特性与全球可持续发展目标高度契合（Z. Chen等，2020）。纤维素是地球上最丰富的天然生物高分子，由通过β-1,4-糖苷键连接的重复脱水葡萄糖单元组成（X. Luo等，2026）。通过纳米尺度加工获得的纤维素纳米纤维（CNFs）具有优异的力学性能、高分散性和可调的表面化学性质，被广泛认为是气凝胶的有前景基体材料（H. Li等，2022；Wang等，2024）。然而，与其他生物质基气凝胶一样，CNF基气凝胶面临导电性不足和内部结构未优化等关键技术瓶颈，这使其无法满足高性能柔性压阻传感器的性能要求（Bi等，2013；Lai等，2024）。
为了解决这些局限性，许多研究者尝试将生物质与导电纳米材料相结合，并采取合理的结构设计来优化生物质基气凝胶的性能。例如，Jiang等人制备了具有波浪状层状结构和叶脉状网络的CNF/氧化石墨烯（GO）/NaOH处理聚酰亚胺纳米纤维（N-PINF）复合气凝胶，实现了优异的抗疲劳性和超高灵敏度（Jiang等，2026）。Liu等人通过双向冷冻和后续退火设计了具有高度取向结构的CNF/碳纳米管（CNT）/还原氧化石墨烯（RGO）导电碳气凝胶，展现出优异的压缩恢复性能（Liu等，2022）。此外，Wei等人制备了一种具有仿生管胞结构的Ti?C?T?（MXene）/CNF/壳聚糖（CS）复合气凝胶，通过静电桥接实现了增强的界面结合和宽线性传感范围（Wei等，2023）。然而，生物质材料（如CNF和CS）与大多数导电纳米材料之间的界面相互作用较弱，仍是一个关键问题（Wang等，2022；Xing等，2025）。这使得这些纳米材料（如CNT和MXene）容易在复合体系中发生团聚和重新堆叠，通常损害气凝胶的结构完整性，并使设计的结构失效（Shi等，2022；Zheng等，2021）。
金属凝胶（MOGs）是一类新兴的多功能材料，已被证明具有优异的结构稳定性（Wang等，2019）。MOG可以由多种金属离子（Fe、Co、Zn等）和有机配体组装而成，能够方便地引入丰富的杂原子和配位结构。这些特征使其能够与生物质材料产生强相互作用，使MOG有望提升生物质基气凝胶的力学和应变传感性能（Guo等，2023）。CNTs具有优异的电导率。然而，由于其固有特性（高比表面积和强范德华力），即使在经过羧基化改性后，它们在前驱体分散液中仍容易发生局部团聚，这进一步损害了它们与生物质材料之间的界面相互作用（Gao等，2023；Gao等，2025）。此外，仿生结构的构建已被广泛证明是开发先进材料的一种有效策略（Ling等，2018；Peng & Cheng，2017；Yao等，2014）。天然竹节结构通过横向隔板有效地分散应力和传递载荷，大大改善了竹子的结构稳定性。在气凝胶中合理地构建这种仿生竹节结构，有望减轻高机械载荷下的结构变形和坍塌。
本研究假设，掺入CNT和MOG的CNF基导电气凝胶将表现出优异的力学和应变传感性能。在CNF和MOG之间的协同相互作用下，预期通过丰富的分子间氢键诱导前驱体凝胶化。然后，所得的凝胶前驱体可能通过其内部稳定的三维（3D）网络有效缓解CNTs的严重团聚，并在气凝胶中构建独特的"竹节"增强结构。这一有前景的策略被称为凝胶化-限域策略。本工作主要关注合理的结构设计和探索所设计架构如何增强气凝胶性能。与之前报道的气凝胶设计策略不同，本文提出的凝胶化-限域策略以抑制导电纳米材料团聚和调控定向冷冻铸造过程中的成核位点为中心，为构建有序的气凝胶架构提供了一种可行方法。所得独特的仿生竹节结构赋予了CNF基导电气凝胶优异的力学性能，在人体运动监测应用方面前景广阔。
章节片段
材料
TEMPO氧化CNFs购自天津木景岭生物科技有限公司。该CNFs长度为5–10 μm，直径为10–20 nm，羧酸钠含量为1.0–1.2 mmol/g，固含量为1.2 wt%（纤维素：>95%，半纤维素：<3%，木质素：<1%）。鸟苷-5'-单磷酸二钠盐（GMP，98%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。氯化钴六水合物（CoCl?·6H?O，≥99.99%）购自上海阿拉丁
CCM-2的制备与表征
本工作中，采用CNF、CNT和MOG构建仿生竹节增强导电气凝胶，并抑制导电纳米材料的严重团聚。图1a示意性地展示了采用新颖凝胶化-限域策略的CCM-2制备过程。CNF提供丰富的暴露羟基。MOG提供丰富的羟基、氨基和金属配体（图S1，支持信息）。这些官能团有助于构建
结论
总之，本工作制备的CCM-2复合气凝胶表现出优异的力学和应变传感性能。采用了一种新颖的凝胶化-限域策略，并优化了组分比例，有效抑制了CNTs的严重团聚，构建了独特的竹节增强结构。最终CCM-2复合气凝胶展现出出色的抗疲劳性、高线性灵敏度（0–2 kPa范围内4.14 kPa?1，2–92 kPa范围内1.88 kPa?1）和
CRediT作者贡献声明
廖凤熙： 撰写——初稿，验证，软件，正式分析，数据整理，概念化。董健美： 验证，软件，数据整理。肖宏艺： 调查，正式分析，数据整理。罗俊杰： 调查，正式分析。廖欣洋： 调查，正式分析，数据整理。杨飞： 撰写——审阅与编辑。李博： 撰写——审阅与编辑，经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了大学生创新创业训练计划项目（编号：202510561116）、广东省科技创新策略专项资金项目（编号：pdjh2025bk024）、广东省自然科学基金（编号：2025A1515011025）和广东省重点领域研发计划项目（编号：2022B1111080004）的资助。感谢蒋明智和赵英浩在实验中的协助。
廖凤熙|董健美|肖宏艺|罗俊杰|廖欣洋|杨飞|李博
华南理工大学，造纸与纸基材料国家重点实验室，广州，510000，中国
