科研报告：基于海藻酸钠/聚乙烯醇/MXene的高灵敏度环境稳定导电共晶凝胶用于柔性可穿戴传感器

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为东北大学科学学院的Jianshe Hu和沈阳消防科学技术研究所的Bai Wang，第一作者为Ruofei Sun和Dongshu Chen（共同一作）。研究成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》2025年第312卷，论文标题为“Highly sensitive and environmentally stable conductive eutectogels for flexible wearable sensors based on sodium alginate/poly(vinyl alcohol)/MXene”。

二、学术背景与研究目标
柔性传感器在健康监测、生物医学和人机交互等领域具有广泛应用，但传统水凝胶因水分流失、相分离及低温冻结等问题限制了其稳定性。为解决这些问题，本研究提出了一种基于深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）的新型共晶凝胶（eutectogel）体系。该体系以天然高分子海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）和聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）为骨架，结合二维导电材料MXene，通过一锅法合成具有抗菌性、高机械性能和环境稳定性的柔性传感器材料。研究目标包括：
1. 开发兼具高拉伸性（>1000%应变）和高灵敏度（应变系数GF>7）的导电凝胶；
2. 解决传统水凝胶在极端温度（-20°C至60°C）下的性能退化问题；
3. 实现对人体关节运动和微表情的无创无线监测。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 深共晶溶剂（DES）合成：以丙烯酸（氢键供体HBD）和氯化胆碱（氢键受体HBA）按1:2摩尔比混合，90°C加热搅拌至透明液体。
- MXene制备：通过HCl-LiF蚀刻Ti₃AlC₂（MAX相），离心剥离后冻干获得Ti₃C₂Tx纳米片（厚度约4 nm）。
- 共晶凝胶合成：将PVA溶于DES（质量比0.5:4.5），加入SA和MXene，120°C搅拌30分钟，紫外光引发聚合（365 nm，2分钟），形成SA/PVA-DES/MXene（SPMD）凝胶。

1. 结构表征

   • 傅里叶红外光谱（FTIR）：证实SA、PVA与DES间氢键网络的形成（-OH峰红移）。
     
   • X射线衍射（XRD）：MXene的（002）晶面间距从0.68 nm增至0.76 nm，表明MXene成功嵌入凝胶网络。
     
   • 扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）：显示MXene的层状结构及均匀分散性。
     

2. 性能测试

   • 机械性能：拉伸测试显示断裂应变达1350%，断裂韧性2.50 MJ/m³；循环加载（20%应变）表明凝胶具有快速自恢复能力。
     
   • 环境稳定性：-4°C至60°C下重量保留率>98%，导电性变化可控（25°C时电导率42.84 μS/m）。
     
   • 传感性能：应变传感器灵敏度（GF=7.66），响应时间400 ms，可监测微表情（如眨眼）和关节弯曲（30°~90°）。
     
   • 抗菌性：基于DES中氯化胆碱的季铵盐作用，对大肠杆菌杀菌率>99.98%。
     

3. 生物相容性评估

   • CCK-8实验：人皮肤成纤维细胞（HSF）存活率>97%，证实材料无细胞毒性。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 氢键网络增强机械性能：FTIR和XRD数据表明，SA与PVA的羟基和DES的羧基形成多重氢键，赋予凝胶高韧性和弹性（图3a-c）。
2. MXene提升导电性：电化学阻抗谱（EIS）显示，MXene的加入使界面电阻降低，电导率提高32%（图5b）。
3. DES赋予环境稳定性：差示扫描量热（DSC）证实凝胶玻璃化转变温度（Tg）低至-45.5°C，避免低温冻结（图2e）。
4. 无线传感应用：通过柔性铜电极和无线工作站，传感器成功捕捉吞咽、微笑等微小动作信号（图7a-h）。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次将天然多糖（SA）与MXene/DES结合，通过物理交联而非化学交联构建高稳定性凝胶，为柔性电子材料设计提供新思路。
2. 应用价值：该凝胶可应用于极端环境下的可穿戴设备，如极地科考或高温作业的人体监测，并具备规模化生产潜力（原料廉价易得）。

六、研究亮点
1. 创新方法：一锅法合成兼具抗菌性和环境稳定性的共晶凝胶，简化了传统多步工艺。
2. 性能突破：同时实现高拉伸性（1350%）、高灵敏度（GF=7.66）和宽温域稳定性（-20°C~60°C），超越现有水凝胶传感器。
3. 多场景验证：从微观氢键机制到宏观人体运动监测，形成完整证据链。

七、其他价值
研究还发现SPMD凝胶对猪皮肤粘附强度达34.8 kPa（图S7），且可通过氢键作用重复使用，符合绿色化学原则。此外，MXene的抗氧化性被DES进一步增强，解决了MXene易氧化的行业难题。