《AFM》清华大学/阿尔伯塔大学：仿生角质层的两性离子凝胶，本征保水抗冻，赋能智能柔性传感！

Meng Wu, Chenyu Qiao, Peng-Fei Sui, Jing-Li Luo, Zuoli Li, Yi Cao, Renjun Pei, Xuwen Peng,* and Hongbo Zeng* 等人开发了受角质层启发的两性离子水凝胶，用于智能柔性传感器，具备多种优良特性，为下一代人机界面发展提供新思路。相关论文 “Stratum Corneum‐Inspired Zwitterionic Hydrogels with Intrinsic Water Retention and Anti‐Freezing Properties for Intelligent Flexible Sensors” 发表于Adv. Funct. Mater.

水凝胶在柔性电子领域的应用前景与挑战：类组织的柔软导电材料在可穿戴设备、电子皮肤等领域应用广泛，水凝胶因与生物软组织相似在人机界面有潜力。但传统水凝胶存在脱水问题，在环境中会失去水分，变成僵硬无功能的状态，阻碍其作为稳定导体替代物的应用。目前解决脱水问题的策略，如添加保护层或吸湿分子，都有局限性，开发高性能水凝胶仍是难题。

水凝胶的制备：系统研究了非离子单体（AM）、单离子单体（如 SPMK 和 MTAC）和两性离子单体（如 SBMA、MPC 和 DMAAPS）的吸湿性能。通过原位自由基聚合反应合成水凝胶，利用化学交联剂（MBAA）、胶束交联（F127）以及醛改性的 F127 与氨基官能化单体间的亚胺键实现协同交联。制备的水凝胶先透析去除未反应物质，调整 pH 值，再部分干燥并在特定湿度和温度下平衡，以蒸发自由水。此外，将 PEDOT:PSS 引入水凝胶网络，制备不同含量的复合水凝胶。

性能测试方法：采用差示扫描量热法（DSC）研究水凝胶中水的结合状态；通过拉伸测试评估水凝胶的拉伸性、韧性等机械性能，在不同湿度下测试以探究湿度对其影响；运用流变测试，包括温度扫描、振荡应变扫描和时间扫描，研究水凝胶的流变特性和自愈合性能；利用电化学工作站测量水凝胶的电导率等电性能；搭建定制平台，测试水凝胶作为传感器对人体运动（如手指弯曲）和生理信号（如手腕脉搏）的传感性能。

本征抗脱水两性离子水凝胶▼

研究发现，DMAAPS 形成的准水凝胶保水性能优异，在特定湿度下能保持恒定重量超 30 天，在 40 - 80% RH 的宽湿度范围内保持类似皮肤的柔软度，杨氏模量在 54 - 118 kPa 窄范围内变化。这归因于 DMAAPS 独特的分子结构，其与水分子相互作用强，分子动力学模拟显示形成的氢键数量多、寿命长。与其他单体形成的水凝胶相比，DMAAPS 准水凝胶的平衡水含量不受初始水含量影响。

DMAAPS 水凝胶的抗冻和自愈合性能▼

DSC 测试表明，DMAAPS 水凝胶中的水紧密结合且不可冻结，使其具有本征抗冻性能。在 - 20°C 时，该水凝胶仍柔软灵活，而 AM 凝胶则僵硬。水凝胶具有良好的自愈合能力，两个不同颜色的半块水凝胶接触几分钟即可自修复，能承受较大变形。愈合 30 分钟后，拉伸率可达 430%，愈合效率高。其自愈合性能源于交联过程中的可逆相互作用，如席夫碱键、分子间离子键等。

PEDOT:PSS 复合两性离子水凝胶▼

引入 PEDOT:PSS 提高了水凝胶的导电性，如 D - P3.5 水凝胶电导率达0.052±0.004 S m −1。同时，机械性能也增强，D - P2.5 水凝胶拉伸应变比 D - P0 提高两倍多，断裂应力和韧性大幅提升。该复合水凝胶在宽湿度范围内保持柔软，具有良好的再水化能力，干燥后在高湿度环境下能吸收水分恢复原水含量，且电学性能在干燥和再水化过程中可完全恢复。此外，复合水凝胶保留了自愈合性能，包括机械和电学自愈合。

两性离子水凝胶作为稳定灵敏的柔性传感器▼

两性离子水凝胶在应变传感应用中表现出色，相对电阻变化与拉伸应变相关，在 0 - 500% 应变范围内符合抛物线方程，在 100% 应变时应变系数为 1.27，500% 应变时升至 2.63 。水凝胶弹性好，在 150% 应变下拉伸和恢复曲线几乎无滞后，在超高加载 / 卸载速率下能保持周期性模式稳定。该水凝胶对人体运动和生理信号传感灵敏度高、稳定性好，可稳定监测手指不同角度弯曲（15°、30°、60°、90°），实时准确检测手腕脉搏信号，且表皮安全性良好，长时间接触皮肤无不良反应。

基于机器学习算法的智能手写识别平台▼

基于水凝胶应变传感器和机器学习算法，构建了高精度的手指书写记录和解码平台。在手指关节处安装两个水凝胶传感条收集双渠道信号，对 26 个小写字母书写信号采集处理后训练模型。结果显示，该模型对字母预测准确率可达 96.0%（F1 分数的宏观平均值），对短单词 “letter” 和 “good” 平均识别准确率分别为 85.0% 和 87.5%，对较长短语识别准确率也能达 70% 以上。相比之下，非保水的 AM - P 凝胶因水分快速流失，无法保持形状和导电性，导致信号模糊，模型识别准确率极低。

开发了基于两性离子聚合物的本征抗脱水水凝胶，通过去除自由水，制备了主要由大分子和少量结合水组成的准水凝胶。这种水凝胶不仅具有优异的保水性和抗冻性，还通过引入PEDOT:PSS和三重交联机制，具备了高强度、高拉伸性、弹性、自修复能力和导电性。这些特性使水凝胶成为一种可靠、灵敏的应变传感器，能够用于检测人体运动和生理信号。此外，结合机器学习算法，该水凝胶还能够实现智能手写识别，为下一代可穿戴、舒适、智能的柔性电子设备提供了新的可能性。

Adv. Funct. Mater. 2025, 2422755

来源：高分子学人