福州大学赖跃坤、黄剑莹AFM：多重动态交联抗溶胀双网络水凝胶，实现两栖运动传感

近年来，柔性电子设备在健康管理、运动监测及人机交互等领域快速发展。作为最具潜力的柔性导电材料，传统导电水凝胶因富含亲水基团，在潮湿环境中易吸水溶胀，导致机械性能下降、传感精度衰减，并因水化层形成削弱与基底的粘附力。这些缺陷严重限制了其在水下场景的应用，开发抗溶胀水凝胶成为解决水下活动安全监测的关键挑战。

福州大学赖跃坤教授、黄剑莹教授团队和安徽农业大学朱天雪教授开发了一种新型紫外固化双网络水凝胶（PAHCT），通过丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、单宁酸（TA）和季铵化壳聚糖（QCS）的一步自由基聚合，构建了多重氢键、静电作用和链缠结协同的高密度交联网络。该水凝胶溶胀率仅5.5%，拉伸率高达990%，且TA显著提升粘附强度（不锈钢表面达59 kPa）。基于其稳定导电性，PAHCT水凝胶传感器可实现陆上大范围人体运动监测及水下可靠通信，为两栖可穿戴电子设备开辟新路径。

图1揭示了PAHCT水凝胶的合成机制：紫外引发聚合形成聚(AA-HEMA)与QCS的双网络结构。扫描电镜（SEM）显示，添加QCS后凝胶孔径从3.28 μm缩小至0.88 μm，交联密度显著提高；Zeta电位由负转正（-15.6 mV→+38.2 mV），证实聚(AA-HEMA)羧基与QCS季铵盐的静电作用；红外光谱中羟基峰位移（3361 cm⁻¹→3356 cm⁻¹）验证了TA引入的额外氢键，共同抑制水分子渗透网络。这种致密结构为水下抗溶胀性能奠定基础，使其可应用于水下莫尔斯电码求救信号传输。

图1. a) PAHCT水凝胶合成示意图。 b) PAHT与PAHCT水凝胶的扫描电镜（SEM）图像。 c) PAHT与PAHCT水凝胶的孔径统计。 d) 水凝胶的Zeta电位。 e) PAHCT水凝胶的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。 f) PAHCT抗溶胀水凝胶在水下应用的示意图。

图2展示了凝胶的力学与粘附性能。含3% QCS和4% TA的配方实现最优平衡：拉伸率达990%（断裂强度96 kPa），180°扭转后仍保持结构完整。循环拉伸测试中，100%应变下能量耗散仅1.35 kJ/m³，400%应变时为23.82 kJ/m³，归因于动态氢键断裂-重构的耗能机制。粘附强度测试表明，其对不锈钢（59.1 kPa）、玻璃（53.8 kPa）等基底均具强附着力，且10次循环后性能无衰减。分子作用分析指出，羧基/羟基、静电作用及链缠结是粘附力的核心来源。

图2. a) PAHCT水凝胶实物图。 b) 不同QCS含量水凝胶的应力-应变曲线。 c) 不同TA含量水凝胶的应力-应变曲线。 d) 不同TA含量水凝胶在不锈钢基底上的粘附强度。 e) PAHCT水凝胶对不同基底的粘附强度。 f) PAHCT水凝胶的粘附循环测试。 g) 水凝胶与不同基底的潜在粘附机制。

图3验证了传感器的电学响应性能。拉伸时灯泡亮度渐变，对应应变系数（GF）在0%-60%、60%-200%、200%-500%区间分别为0.77、0.98和1.13。不同拉伸速率（50-200 mm/min）下电阻变化（ΔR/R₀）稳定，10%-500%应变循环信号清晰可辨，响应/恢复时间达0.66 s/0.61 s。800次100%应变循环后电信号稳定，凸显疲劳抗性。压力传感测试中，凝胶在0%-45%压缩范围内分三段线性响应，灵敏度最高达GF=5.26（0%-13%应变）。

图3. a) 水凝胶传感器拉伸时灯泡亮度变化照片。 b) PAHCT水凝胶传感器的应变系数（GF）。 c) 100%应变下不同拉伸速度时水凝胶传感器的相对电阻变化。 d,e) PAHCT水凝胶传感器在小应变（10%–50%）和大应变（100%–500%）下的相对电阻变化。 f) PAHCT水凝胶传感器在100%应变下800次加载-卸载循环的稳定性测试（插图：循环拉伸放大图）。

图4聚焦水下稳定性。PAHCT凝胶在水中7天溶胀率仅5.5%，远低于对照组PAHT的317%（48小时即破裂）。其抗溶胀性源于高交联网络对亲水链的屏蔽作用，在pH 3-9溶液中溶胀率<21%，pH=11时为28.6%。水下传感测试中，10%-100%应变下电阻变化与变形量正相关，100%应变循环200次信号稳定，且在0-40℃宽温域内性能一致。

图4. a) 不同组分水凝胶的溶胀率。 b) PAHCT水凝胶在不同有机溶剂中浸泡7天的溶胀曲线。 c) PAHCT水凝胶在不同pH溶液中浸泡7天的溶胀率。 d) 不同水凝胶的溶胀率与应变性能对比。 e,f) 水下环境中PAHCT水凝胶传感器在不同应变（10%-40% 和 50%-100%）下的相对电阻变化。 g) 水下100%应变时PAHCT水凝胶传感器200次循环的稳定性。 h) 对应循环拉伸的放大图。

图5演示了水下应用场景。手指弯曲30°和90°分别对应莫尔斯码“点”和“划”，通过实时电阻变化成功传输“SOS”及“help me”信号。传感器可精准监测吞咽、颈部倾斜等微动作，并在空气/水下环境中稳定捕获手指、手腕、肘部等大关节运动信号，为水下救援通信提供可靠工具。

图5. a) 莫尔斯电码字母解码表。 b) 水下莫尔斯通信示意图（30°弯曲对应"点"，90°弯曲对应"划"）。 c) 不同手指弯曲角度下水下电信号的循环稳定性。 d,e) 通过手指弯曲传输的"SOS"及"help me"莫尔斯电码信号。 f-h) PAHCT水凝胶传感器在空气/水下环境中监测手指、手腕和肘部运动。

未来展望

该研究通过简易的一锅紫外聚合法，创制了兼具抗溶胀性（溶胀率<5.5%）、超高延展性（990%）与强粘附力的双网络水凝胶。多重动态交联网络设计解决了水下稳定性难题，800次拉伸循环后电信号仍保持稳定，为水下运动监测与实时通信提供了新材料平台。此项突破有望推动新一代水下可穿戴电子设备及两栖健康监测系统的发展。

来源：高分子科学前沿

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