一种基于羧甲基纤维素的多功能pH响应水凝胶，具有出色的机械强度、吸附性能以及自愈合能力，适用于运动监测和触摸屏交互应用

《Carbohydrate Polymers》：Versatile carboxymethyl cellulose-based pH responsive hydrogel with robust mechanical strength, adhesion, and self-healing for motion monitoring and touchscreen interaction

　　摘要
具有机械强度、自愈能力、强附着力和可靠传感性能等功能特性的水凝胶仍然是可穿戴电子设备面临的主要挑战。本文介绍了一种可持续的生物基CPAT水凝胶，该水凝胶由羧甲基纤维素（CMC）、聚（乙烯醇）（PVA）、丙烯酸（AA）和单宁酸（TA）通过紫外线诱导聚合和超分子交联制备而成。聚（乙二醇）二丙烯酸酯交联的聚（丙烯酸）（PAA-PEGDA）网络与动态氢键相互作用的协同整合形成了一个坚固的多网络结构。这种材料表现出良好的延展性、高拉伸强度和韧性。此外，该水凝胶具有高效的自愈能力，自愈效率超过90%，弹性恢复率约为90%，在反复变形循环后应力保持率为96%。该水凝胶还表现出强烈的通用附着力、显著的pH响应膨胀和传感行为。电化学阻抗谱显示其离子电导率为3.33×10^-2 S cm^-1，并且在1000次负载-卸载循环后仍保持稳定的传感性能。该水凝胶能够实时监测人体运动以及吞咽和与言语相关的喉咙运动等生理活动。该材料还表现出优异的细胞相容性，可维持L929成纤维细胞的存活率约为93%。这些结果表明，CPAT水凝胶可用作可穿戴传感器、人机接口和智能医疗应用的多功能平台。

引言
随着个人健康、健身和实时生理监测的兴起，可穿戴电子设备已成为现代医疗和生活方式技术不可或缺的一部分（Nazir等人，2025；Zou等人，2024）。这些系统可以连续监测生理指标，包括身体运动、肌肉活动和心率以及呼吸信号，为医疗诊断、康复和人机交互提供宝贵信息（Liao等人，无日期；Hu等人，2024；Vicente等人，2024；Wan等人，2025；Zheng等人，2025）。柔性电子技术的快速发展加速了能够与人体贴合的可穿戴传感器的发展，同时在这些传感器在动态机械变形下仍能保持可靠的信号检测（Gu, Luo等人，2026；Song等人，2026）。然而，由刚性金属或半导体材料制成的传统传感器通常具有有限的柔韧性、与软生物组织的机械相容性较差，并且在长期运行过程中容易发生机械疲劳（Cao等人，2026；Kim等人，2025）。这些限制严重限制了它们在下一代可穿戴和生物集成电子设备中的实际应用。柔软导电水凝胶已被开发为有效的柔性传感系统材料，以应对这些挑战（Li等人，2025；Long等人，2025）。水凝胶由三维亲水性聚合物网络组成，能够保留大量的水分，从而具有类似生物组织的天然柔软性和弹性以及高生物相容性（Chen等人，2025；Zhang等人，无日期）。它们对应变、压力等机械刺激的反应能力以及可变形性使其非常适合用于能够感知微妙生理信号的可穿戴应变传感器（Kong等人，2025；Van Nguyen等人，2025）。尽管具有优势，但许多标准水凝胶仍存在机械强度低、与生物表面的界面粘附力弱以及在反复机械应力下耐久性有限等局限性（Kang等人，2022；Tang等人，2025）。在单一水凝胶系统中实现高延展性、强附着力、高效自愈和稳定传感性能仍然是个难题（Kondaveeti等人，2024；Li等人，2024；Sun等人，2024）。
最近，越来越多的关注集中在由可再生生物质资源制成的水凝胶上，作为石油基聚合物的可持续替代品。其中，纤维素及其衍生物因其天然丰富、可生物降解、低毒性和优异的生物相容性而受到高度关注（Fu等人，2019；Kamelnia等人，2025）。CMC是一种水溶性纤维素衍生物，含有大量-OH和-COOH基团，有利于水合作用、离子导电性和水凝胶网络内的分子间相互作用（Akhlaq等人，2023；French，2017；Javanbakht & Shaabani，2019；Liu, Chen等人，2025）。CMC的存在可以通过离子传输提高水合网络的离子导电性，而无需加入传统的导电填料（Akilandeshwari，2025 #3093）。它们类似组织的柔韧性和对压力、温度等外部刺激的紧密粘附性使其成为可穿戴电子设备的理想平台（Dang等人，2024；Mogli等人，2023）。这些特性使基于CMC的水凝胶特别适用于可穿戴传感应用。然而，仅由CMC制成的水凝胶往往机械强度不足，界面粘附力有限，这可能会影响其在实际可穿戴设备中的性能（Ngo等人，2025）。引入多功能天然多酚是一个有效的策略，可以克服这些限制。单宁酸（TA）是一种富含儿茶酚和没食子酰基的多酚化合物，以其强附着力、抗氧化特性以及形成多种非共价相互作用（如氢键、金属离子配位和π-π相互作用）的能力而闻名（Xu等人，2024；Yang等人，2026）。当整合到聚合物网络中时，单宁酸可以作为动态交联介质，增强机械强度，促进与各种基底的界面粘附，并引入有助于自愈行为的可逆相互作用（Wu等人，2024；Xing等人，2025）。同时，聚（乙烯醇）（PVA）通过广泛的氢键贡献机械韧性和弹性，而丙烯酸（AA）可以形成共价交联的聚（丙烯酸）网络，提高结构稳定性和离子导电性（Gu, Wang等人，2026；Song等人，2022）。这些组分的协同整合为构建坚固和多功能的水凝胶系统提供了有希望的途径。尽管在导电和自愈水凝胶方面取得了显著进展，但在单一生物基水凝胶中同时实现良好的机械强度、高组织粘附力、良好的自愈性、稳定的离子导电性和环境响应性仍然是一个重大挑战（Lv等人，2023；Rahman等人，2024；Seong等人，2023）。大多数报道的基于CMC的水凝胶表现出机械强度有限、粘附力不足或在反复变形下耐久性差，限制了其在可穿戴传感器中的实际应用（Bai等人，2021；Dang等人，2025）。此外，尽管pH响应水凝胶在生物医学和环境应用中得到了广泛研究，但pH对导电水凝胶电传感性能的影响却相对较少受到关注（Lei等人，2025；Lin等人，2019；Xu等人，2023）。因此，开发一种集成了强机械性能、自愈能力、通用粘附力、稳定应变传感和pH响应电行为的可持续水凝胶平台仍然是一个重要但尚未解决的挑战。

本文介绍了一种由CMC、PVA、AA和TA制成的多功能pH响应导电CMC/PVA/PAA-PEGDA/TA（CPAT）水凝胶。通过将共价交联的聚（丙烯酸）网络与CMC、PVA和TA之间的动态氢键相互作用相结合，建立了一个层次化的多网络结构，有效结合了结构稳定性和网络适应性。水凝胶内的协同相互作用赋予了其良好的机械强度、优异的延展性、高自愈能力、良好的界面粘附力和稳定的离子导电性。此外，丰富的可离子化官能团使水凝胶在不同环境条件下表现出显著的pH响应行为，能够实现其膨胀和电性能的可逆调节。得益于这些集成特性，CPAT水凝胶可作为可穿戴应变传感器，能够检测大规模人体运动以及吞咽和与言语相关的喉咙振动等微妙生理活动。该水凝胶还可用作触摸屏操作的软电容式笔，突显了其在人机交互中的潜力。此外，使用L929成纤维细胞进行的体外细胞相容性评估显示了优异的细胞存活率，证实了其适用于皮肤接触的可穿戴应用。这项研究展示了一种简单且可持续的方法，用于开发可用于可穿戴电子设备、智能医疗系统和软体机器人设备的生物基多功能水凝胶。

设计、合成和表征CPAT水凝胶
通过改变PVA（2–10 wt%）、CMC（0.5–2.5 wt%）和TA（0.05–0.25 wt%）的含量，进行了系统的优化研究。含有8 wt% PVA、1.5 wt% CMC和0.20 wt% TA的配方在机械强度、弹性 和导电性方面表现出最佳平衡，因此被选为优化组合。CPAT水凝胶通过物理相互作用和光诱导化学交联的序贯策略合成，如图1所示。

结论
总之，通过将CMC、PVA、PAA-PEGDA和TA整合到动态多网络结构中，成功开发了一种多功能CPAT水凝胶。该水凝胶表现出优异的机械强度、高韧性（17.6 MJ m^-3）、24小时内的90%自愈能力、强附着力和稳定的粘弹性行为。由于动态分子间相互作用的存在，该水凝胶表现出优异的抗疲劳性，在测试阶段后保留了96%的初始性能。

作者贡献声明
Durgesh Kumar Sinha：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。
Nishikanta Singh：撰写——审阅与编辑、方法学、研究。
Onkarnath Verma：撰写——审阅与编辑、方法学、研究。
Sanjib Banerjee：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

伦理声明
涉及人类参与者的实验遵循世界医学协会（赫尔辛基宣言）规定的伦理原则。与皮肤粘附和可穿戴传感相关的演示是由作者自愿进行的。所有参与者在测试阶段开始前都提供了同意。程序仅涉及将水凝胶非侵入性地应用于皮肤，以评估粘附性。

利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。支持本文的数据已包含在补充信息中。

致谢
作者衷心感谢印度政府的DBT（BT/PR48814/MED/32/836/2023）的资助。DKS、NS和OV分别感谢CSIR和DST-INSPIRE提供的研究奖学金。我们还要衷心感谢IIT Bhilai的中央仪器设施提供的表征和实验设施。作者们还要感谢Satyajit Gupta博士的热情支持以及允许使用其资源。