《AFM》厦门大学戴李宗/袁丛辉：大面积、超强和抗溶胀水凝胶薄膜的制备用于水下隐形电子皮肤！

研究背景

水凝胶薄膜（THFs）具有亚毫米级厚度，因其出色的形状适应性、界面粘附性、刺激响应性和透明度，被认为在电子皮肤、柔性电子设备等领域具有巨大潜力。尽管水凝胶薄膜具有诸多优点，但目前很难同时实现高透明度、高导电性和优异的机械性能。在水凝胶薄膜成型过程中，水凝胶的脱水会导致薄膜变脆失去柔软性，而过度膨胀则会导致薄膜失去其功能。其次，水凝胶在水中容易膨胀，难以保持稳定的形状和性能。因此，构建一种兼具“高强度+抗肿胀+易加工+柔顺性”的水凝胶薄膜，是实现高性能可穿戴生物电子器件的关键。

文章概述

厦门大学材料学院戴李宗教授和袁丛辉教授团队通过设计新型交联剂3-肉桂酰苯基硼酸（RBA），开发了一种三重交联策略制备大面积超强抗溶胀水凝胶薄膜（RBVA THFs）。该薄膜厚度可控（50–200μm），兼具高透明度（可见光透射率≥90%）、超高韧性（48.0 MJ m-3）、导电性（3.63 mS cm-1）及水下稳定性。经20天水浸泡或100次干湿循环，其力学与传感性能几乎不变。基于此制备的隐形电子皮肤可稳定监测水下人体运动，为柔性电子器件提供新思路。

图文导读

1.RBVA THFs的组成和机械性能

通过C13 NMR和11B NMR验证了交联剂RBA成功接枝到PVA链上，形成动态硼酸酯键（图1a,b）。UV光照引发肉桂酰胺基团的2+2光环加成反应（图1c），其转化率随光照时间延长而提高（15分钟：40.2%；30分钟：65.3%）。力学测试表明，RBVA水凝胶薄膜（厚度≈100 μm）的断裂强度随RBA含量和UV交联时间增加而提升，最高达14.5 MPa（RBVA10−30−100），韧性达38.9 MJ m−3（图1d,e）。循环加载-卸载测试显示优异的回弹性（图1f），归因于三重交联网络的协同作用：动态硼酸酯键和疏水聚集耗散能量，共价光环加成维持网络完整性（图1h）。流变应变扫描证实UV交联提高了储能模量（G'）（图1g）。

图1 RBVA THFs的组成与机械性能。（a)未经过UV处理的RBVA的固态13C NMR和（b) 11B NMR光谱。（c)RBA乙醇溶液在UV光照射下的UV-可见吸收光谱。（d)RBA摩尔含量和UV光照射时间对RBVA THFs拉伸断裂强度和伸长率的影响。（e)RBVA THFs的应力-应变曲线。（f)RBVA10-15-100在200%固定应变下的循环加载-卸载测试。（g)RBVA THFs的流变应变扫描。h)拉伸过程中交联网络演变的示意图。数据和误差条代表平均值和标准差（n = 5）。

2. RBVA THFs膜厚控制和水下稳定性

通过调控铸膜溶液密度（49–209 mg cm−2）和UV交联（15分钟），实现厚度50–200 μm的大面积薄膜（20 cm×30 cm）（图2a）。溶胀动力学显示60分钟内达平衡，溶胀率稳定（158–182%）。力学性能优异：50 μm薄膜断裂伸长率762.1%，200 μm薄膜韧性34.7 MJ m−3（图2b,c），SEM显示微孔结构（孔径1–4 μm）助力高韧性（图2d-f）。透明度>90%（可见光范围）（图2i）。

图2 RBVA THF 的机械性能、微观结构和透明度。（a） 厚度从 50 μm 增加到 200 μm 的 RBVA THF 的膨胀行为和 （b） 应力-应变曲线。（c） RBVA THF 与报道的亚毫米 THF 的断裂强度和韧性比较的散点图。跟踪 RBVA 横截面 （d，e）和表面（f）的 SEM 图像10-15-100.RBVA 的光学照片10-15-100（g）承载一个 400 g 的钢球，以及（h）覆盖一个彩色图案。（i）RBVA THF 的透射率。数据和误差线代表平均值和SD（n = 5）。

抗溶胀性能突出：20天水浸泡后，溶胀率波动<5%（图3a），力学强度保持>8.9 MPa（图3f），电导率仅降7%（2.41→2.24 mS cm−1）。百次干湿循环后，溶胀率仅增2.5%，力学性能衰减<11.5%（图3h,i）。

图3 RBVA THF的抗溶胀性能。（a）RBVA的溶胀率演变10-0-100、 RBVA10-15-100和 RBVA10-30-100在去离子水中。RBVA的数码照片10-15-100（b）和（c）在去离子水中浸泡20天之前和（c）之后的水凝胶膜。（d）SEM图像和（e）RBVA 的孔径分布10-15-100在去离子水中浸泡20天后。（f）跟踪RBVA机械性能变化的应力-应变曲线10-15-100在去离子水中。（g）RBVA的光学照片10-15-100在去离子水中含有钢球（400 g）的THF。RBVA的（h）平衡膨胀率、（i）断裂强度和断裂伸长率的变化10-15-100在100次干燥-膨胀循环中。数据和误差线表示平均值和SD（n = 5）。

3. 用于水下传感特性的隐形电子皮肤

经0.1 M KCl处理，RBVA10−15−100电导率达3.84 mS cm−1。应变传感性能优异：小应变（0–100%）灵敏度（GF=1.33），大应变（200 – 630%）GF=2.85（图4a）。水下环境信号稳定，归因于阴离子硼酸酯锚定抑制离子泄漏。该水凝胶可以制成透明腕带/指套。贴合皮肤，实时监测水下关节弯曲（图4d-g），剥离力达1.5 N m−1（空气）/0.6 N m−1（水下）。还可以通过指套弯曲输出“HELP”和“SOS”信号（图4h-j）。以及集成蓝牙芯片，稳定追踪肘部运动的无线监测系统（图4k,l）。透明度（>90%）支持指纹识别等光学应用，百次干湿循环后传感性能衰减<9.4%，证实长期可靠性。

图4 RBVA电子皮肤的传感特性。（a） 施加的应变对应变系数的影响。RBVA 的大应变 （100-250%） 循环传感测试（b）和应变稳定传感测试（c）10-15-100.（d） RBVA 的照片10-15-100启用腕带和 （e） 腕带的信号输出（电阻演变），用于监控手腕弯曲。（f） RBVA 制成的指套照片10-15-100（g） 用于监测手指弯曲的手指盖的信号输出（电阻演变）。（h） 摩斯电码示意图。通过水下手指弯曲使用摩斯电码传输 （i）“HELP”和 （j）“SOS”紧急呼叫的传感信号。在弯头（k）上安装独立设备，并通过设备监控（l）跑步动作产生的信号（阻力演变）。

结论

该研究通过设计交联剂RBA，开发了一种结合动态硼酸酯键、[2+2]光环加成共价键和疏水聚集的三重交联策略，成功制备出大面积、超强韧、高透明且抗溶胀的RBVA THFs。该薄膜在水下浸泡20天或经历100次干湿循环后，力学性能、导电性及溶胀率几乎不变，突破了传统水凝胶易溶胀失稳的瓶颈。基于其优异的水下稳定性与柔性，RBVA THFs可制成隐形电子皮肤，实现水下人体运动实时监测及莫尔斯码通信，为水下柔性电子器件提供了革新性材料平台。

创新点

该研究设计了一种新型小分子交联剂RBA，实现了动态硼酸酯阴离子、[2+2]光环加成和疏水聚集的三重交联聚合物网络。这种设计通过简单的铸造成型技术，制造出具备超强韧性、高透明度和优异的水下稳定性，并且在机械性能和传感性能方面表现出色，为水下电子皮肤等应用提供了新的解决方案。

启发

该研究通过巧妙设计三重动态-共价-疏水协同交联策略，为开发高性能柔性电子材料提供了新思路，推动了水下电子皮肤等领域的应用发展，也为未来设计耐用、稳定的水凝胶材料开辟了新方向。

文章来源

https://doi.org/10.1002/adfm.202507606

来源：Go Cellulose