本文介绍了一项关于3D打印导电水凝胶的研究，该研究由Shi Feng、Jing Guo、Fucheng Guan、Jianbin Sun、Xuecui Song、Jiahao He和Qiang Yang等人共同完成，研究团队来自大连工业大学纺织与材料工程学院以及青岛大学生物纤维与生态纺织品国家重点实验室。该研究于2023年7月27日发表在《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》期刊上，题为“Preparation of 3D printable polyvinyl alcohol based conductive hydrogels via incorporating k-carrageenan for flexible strain sensors”。
随着柔性应变传感器在运动监测、生命健康和人机交互等领域的广泛应用，导电水凝胶因其独特的柔韧性、导电性、自修复性和敏感性而备受关注。然而，现有的导电水凝胶在可注射性、导电性和传感特性方面仍面临挑战。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于聚乙烯醇（PVA）和κ-卡拉胶（k-carrageenan, KC）的导电水凝胶，并通过3D打印技术实现了复杂形状的快速成型。该研究旨在探索KC对PVA基导电水凝胶的溶胶-凝胶行为及其成型调控的影响，以满足柔性应变传感器对复杂形状水凝胶的简便制备需求。
研究分为以下几个步骤： 1. 材料准备：以PVA和KC为原料，硼砂作为交联剂和导电离子（Na+）来源，通过冷冻-解冻法制备了硼砂交联的PVA/KC导电水凝胶（B-PVA/KC）。具体步骤包括将硼砂溶解于去离子水中，加入PVA并在95°C下溶解，随后加入不同质量的KC，搅拌至完全溶解，最终通过冷冻-解冻循环处理得到水凝胶。 2. 表征与分析：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和紫外分光光度计等手段对水凝胶的化学结构、形貌和透光性进行了表征。结果表明，KC的加入显著影响了水凝胶的溶胶-凝胶行为，且硼砂的加入提高了水凝胶的交联密度和机械性能。 3. 溶胶-凝胶行为研究：通过动态流变学测试，研究了B-PVA/KC水凝胶的溶胶-凝胶转变行为。结果显示，KC的加入显著提高了水凝胶的凝胶化能力，且水凝胶在冷却至室温后能够快速形成凝胶。 4. 机械性能测试：通过拉伸和压缩测试，评估了水凝胶的机械性能。结果表明，经过冷冻-解冻循环处理后，水凝胶的拉伸强度和断裂应变显著提高，且随着KC含量的增加，水凝胶的拉伸强度进一步增加。 5. 电学性能测试：通过电化学工作站测试了水凝胶的应变传感性能。结果显示，B-PVA/KC水凝胶对外部应变具有快速、灵敏和准确的响应，且经过一次冷冻-解冻循环后仍保持良好的导电性和应变传感性能。 6. 3D打印实验：通过自制的3D打印机，成功打印了不同形状的水凝胶结构，验证了其可注射性和3D打印性能。结果表明，B-PVA/KC水凝胶具有良好的形状保真度和复杂的3D结构成型能力。
该研究成功制备了基于PVA和KC的导电水凝胶，并通过冷冻-解冻法和3D打印技术实现了复杂形状的快速成型。B-PVA/KC水凝胶具有良好的自修复性、可注射性和应变传感性能，能够监测人体不同部位的运动，包括大范围运动（如手指、手腕、肘部）和小范围运动（如深呼吸）。此外，该水凝胶的3D打印性能为柔性传感器的个性化设计提供了新的途径。
该研究为柔性应变传感器的制备提供了一种简便、高效的方法，具有广泛的应用前景。通过3D打印技术，可以实现复杂形状水凝胶的快速成型，满足个性化设计的需求。此外，该研究还为导电水凝胶在柔性电子设备中的应用提供了新的思路。