基于羧甲基壳聚糖的高拉伸、自粘附、抗冻双网络导电水凝胶用于柔性可穿戴应变传感器的研究

一、作者与发表信息
本研究由Shuai Wang（吉林大学仿生科学与工程学院）、Jinyang Li（吉林大学第一医院）、Li Zhang（吉林大学）、Fazhan Ren（西北农林科技大学机电工程学院）、Jiale Zhang（东北农业大学工程学院）及通讯作者Lili Ren（吉林大学仿生工程教育部重点实验室）合作完成，发表于*International Journal of Biological Macromolecules*期刊，2025年3月24日在线刊出，论文编号142301。

二、学术背景
本研究属于柔性电子与生物材料交叉领域，旨在解决现有导电水凝胶在机械强度、导电性、抗冻性和多功能集成方面的挑战。传统水凝胶因单网络结构易断裂、低温环境下易冻结失活，限制了其在可穿戴传感器中的应用。研究团队以羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）和氨基化碳纳米管（NH₂-CNTs）为填充材料，通过双网络结构设计（聚丙烯酰胺/明胶），结合氯化钙（CaCl₂）交联改性，开发了一种兼具高拉伸性（应变749%）、自粘附、抗冻（-20℃）和导电性（4.29 S/m）的多功能水凝胶，拓展了其在电子皮肤和人机交互中的应用潜力。

三、研究流程与方法
1. 水凝胶合成
- 材料制备：将不同质量分数（0~1%）的CMC溶解于去离子水，与NH₂-CNTs超声混合形成均匀溶液。
- 双网络构建：将明胶（物理交联）与丙烯酰胺（化学交联）在60℃水浴中聚合，加入交联剂MBA和引发剂KPS，注入聚四氟乙烯模具成型。
- CaCl₂交联：筛选机械性能最优的CMC 0.5%水凝胶，浸入3 mol/L CaCl₂溶液，形成最终PAM/明胶/CNTs/CaCl₂复合水凝胶（CMC-CaCl₂）。

1. 表征与测试

   • 结构分析：通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实Ca²⁺和Cl⁻引入导致的晶格常数增大及氢键重构。
     
   • 机械性能测试：万能试验机测定拉伸应力（0.247 MPa）、应变（749%）及杨氏模量（28.26 kPa），循环拉伸实验验证疲劳抗性（500次循环无衰减）。
     
   • 功能性测试：
     
     • 粘附性：剪切测试显示对木材粘附强度>17 kPa，皮肤粘附强度~10 kPa；
       
     • 抗冻性：差示扫描量热法（DSC）显示结晶温度<-30℃，-20℃下仍保持导电性；
       
     • 传感性能：应变系数（GF）达5.047（100%~400%应变），响应时间200 ms。
       

2. 应用验证

   • 人体运动监测：水凝胶传感器成功识别手指弯曲（0°~90°）、手腕/肘部运动及语音信号（如发“a”音），在-20℃环境下仍稳定工作。
     
   • 防伪与盐离子监测：通过透明度变化验证CaCl₂交联对聚合物链溶解的影响，为防伪材料设计提供新思路。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 机械性能优化：CMC填充使水凝胶拉伸应变提升至943%（未交联），CaCl₂交联后虽略微下降至749%，但赋予抗冻性与粘附性。XRD显示Ca²⁺引入导致晶格扩张，FT-IR证实氢键重组，SEM显示三维多孔结构利于离子传输。
2. 多功能集成：抗冻性源于CaCl₂降低水分子冻结温度，粘附性归因于羟基/氨基与基底的氢键作用。导电性由CNTs网络和自由离子（Ca²⁺/Cl⁻）共同贡献。
3. 传感性能：高GF值（5.047）和快速响应（200 ms）源于应变下CNTs网络断裂与离子迁移路径变化。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次通过CMC-CNTs双网络与CaCl₂协同交联，实现机械性能、导电性与环境稳定性的平衡，为多功能水凝胶设计提供新范式。
2. 应用价值：该水凝胶适用于极端环境（如寒冷户外）的人体运动监测、电子皮肤及软体机器人，且制备工艺简单、成本低，避免了有毒溶剂的使用。

六、研究亮点
1. 创新材料设计：CMC与NH₂-CNTs的协同填充结合双网络结构，突破单网络水凝胶的力学局限。
2. 抗冻-粘附-导电一体化：通过CaCl₂交联实现低温稳定性与高灵敏度传感，优于现有报道（如对比PAM/淀粉水凝胶GF=0.41）。
3. 多场景验证：从实验室性能测试到实际人体运动监测，系统性证明其应用潜力。

七、其他价值
研究还揭示了水凝胶透明度变化与机械性能下降的关联性，为防伪材料开发提供理论依据。尽管存在表面易磨损、高湿度下粘附性下降等局限，但通过进一步优化（如表面涂层改性），有望推动其在医疗监测与智能穿戴领域的产业化应用。