福建理工大学/厦门大学AM：新型可生物降解淀粉基水凝胶为可穿戴电子带来突破

随着柔性电子技术的快速发展，水凝胶基应变传感器在人体运动检测、医疗监测和人机交互等领域展现出广阔应用前景。其中，柔性电容传感器因其能够将机械形变转化为电信号、模拟皮肤功能而备受关注。理想传感器需具备高机械耐久性、导电性、自愈合能力和强粘附性，以适应复杂人体运动需求。水凝胶因其三维多孔网络结构、高拉伸性和生物相容性成为潜在材料，但多数合成水凝胶缺乏生物降解性，限制了其可持续性和实际应用。开发兼具优异机械性能和导电性的环保水凝胶，仍是下一代柔性电容传感器面临的主要挑战。

近日，福建理工大学陈汀杰、彭响方教授和厦门大学吴炳辉教授合作，成功制备出一种基于淀粉的多键网络结构水凝胶（SPM），由支链淀粉、聚乙烯醇、硼砂和MXene纳米片组成，通过简单的滚筒机械捏合方法实现可规模化生产。该水凝胶凭借氢键和静电相互作用形成的可逆交联网络，以及MXene纳米片作为应力传递中心，展现出极高的拉伸性（约6151%）、高导电性、快速自愈合和强粘附性。基于该水凝胶的电容传感器具有高灵敏度（应变因子为1.1）、宽传感范围（可达300%）和优异耐久性，能准确检测生理信号，并支持基于莫尔斯码的字母、数字和标点加密通信，凸显其在可穿戴和安全通信技术中的潜力。值得注意的是，该水凝胶在自然土壤中20天内即可生物降解，有效应对电子垃圾问题。相关论文以“Biodegradable, Stretchable, and Self-Healing Starch-Based Hydrogel with Intelligent Multi-Bond Network Facilitated by MXene Nanosheets for Multifunctional Wearable Electronics”为题，发表在

Advanced Materials

图1. SPM水凝胶制备过程的示意图。

研究人员通过可持续且可扩展的工艺成功合成了SPM水凝胶。如图1所示，制备过程首先在室温下将PVA溶液捏合入淀粉糊中形成均匀混合物，随后加入硼砂溶液引发交联，最后逐步引入经超声处理的MXene分散液，通过反复捏合实现MXene纳米片的均匀分散。结构表征结果（图2）显示，SPM水凝胶具有均匀的三维网络结构，MXene成功嵌入并增强了多键网络。FTIR光谱中O—H振动峰位移、XRD中MXene特征峰的出现、拉曼光谱中Ti相关峰位以及XPS中F 1s和Ti 2p峰的存在，均证实了MXene的引入和网络结构的增强。

图2. SP和SPM水凝胶的结构和组成表征。a) SP水凝胶的SEM图像。b,c) SPM水凝胶的SEM和EDS mapping图像。d-g) SP和SPM水凝胶的FTIR光谱、XRD图谱、拉曼光谱和XPS光谱。

在机械性能方面，SPM水凝胶表现出卓越的拉伸性和自愈合能力（图3）。其拉伸应变高达6151%，且切割后能迅速愈合，愈合效率在200次循环后仍保持在95%以上。流变学测试表明，水凝胶具有动态可逆的网络结构，能在应变变化下快速恢复模量，这主要归因于氢键和硼酸酯键的可逆作用。MXene的加入不仅提高了力学强度，还作为应力传递中心均匀分散应力，进一步提升拉伸性能。

图3. SPM水凝胶的机械和自愈合性能表征。a,b) 水凝胶成型为各种形状的光学图像。c) 水凝胶的自愈合能力。d-f) 水凝胶的拉伸应力-应变曲线。g) 水凝胶的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随频率的变化。h) 在1.0 Hz频率下，G′和G″随应变振幅增加至10%的变化（左）以及变形后的恢复（右）。i) 水凝胶在1.0 Hz频率下的步进应变测试。

SPM水凝胶还具有出色的粘附性能（图4），能够牢固粘附于钢材、塑料、玻璃、木材、猪皮和植物叶片等多种材料表面，且对人体皮肤无残留。粘附机制主要源于水凝胶与含氧官能团之间的氢键作用，以及对金属的配位作用。拉剪测试显示，其在木材表面的粘附强度最高达17.04 kPa，且重复使用后性能稳定，优于多数已报道水凝胶。

图4. SPM水凝胶的粘附性能和比较分析。a–c) SPM水凝胶在不同材料表面的粘附性能。d) 水凝胶与各种基底粘附的机制示意图。e) 粘附强度测试方法的示意图。f) SPM水凝胶在各种材料表面的定量粘附强度。g) 已报道水凝胶与当前工作的比较。

电学性能方面（图5），随着MXene含量从0增至0.36 wt%，水凝胶的电导率从0.31提升至1.45 mS cm⁻¹。电路切断后重新连接时电阻迅速恢复，表明其具备良好的电自愈合能力。在实际应用中，水凝胶可作为电路连接材料驱动LED，甚至作为电子皮肤实现触摸屏操作，展示其在柔性电子系统中的潜力。

图5. SPM水凝胶的导电性和多功能应用。a) 水凝胶的电导率。b) 水凝胶在循环切割-愈合测试中的电阻稳定性。c) 拉伸过程中电阻的相对变化和相应的LED亮度。d) 通过电路重新连接展示自愈合。e) 通过SPM水凝胶连接的LED电路照片。f,g) SPM水凝胶作为触摸屏笔的应用，实现拨号、书写和绘图操作。

将SPM水凝胶集成于柔性电容传感器（SPM-FCS）后（图6），传感器在0–300%应变范围内呈现线性电容响应，应变因子为1.1，优于多数同类传感器。其在低应变（3–10%）和高应变（达250%）下均具有高重复性和稳定性，在不同应变速率和扭转角度下也能保持可靠性能，经100次循环加载后仍无明显性能衰减。

图6. 基于SPM水凝胶的柔性电容传感器的性能评估。a) 基于SPM水凝胶的电容传感器的示意图。b) 相对电容响应随施加应变的变化。c) 与先前报道的电容传感器相比的GF和工作范围。d–f) 传感器在不同应变和频率下的相对电容变化。g) 在0°至360°循环扭转测试中的电容变化。h) 在50%应变下100次循环加载-卸载中的稳定且可重复的电容响应。

在实际应用中（图7、8），SPM-FCS传感器能够实时监测手指按压、关节弯曲、脸颊微动等生理信号，信号响应迅速且恢复良好。传感器被切割后电容显著下降，但重新连接后功能完全恢复，体现出优异的电自愈合能力。此外，通过手指弯曲角度的不同，传感器可编码莫尔斯码中的“点”和“划”，实现字母、数字和标点的实时传输，如“SOS”、“I AM OK”等短语，为语言和听力障碍者提供了一种辅助通信手段。该水凝胶在埋入土壤20天后几乎完全降解，残留重量仅约2.9%，钛释放量低，对环境的影响极小。

图7. 基于SPM水凝胶的电容传感器的可穿戴传感性能和自愈合能力。a–g) 使用SPM水凝胶电容传感器进行实时人体运动监测，包括检测手指按压、手指/肘部/膝盖/手腕弯曲和脸颊鼓胀。h) 自愈合前后的电容变化。i) 自愈合过程后的手指弯曲检测。

图8. 使用基于SPM水凝胶的电容传感器通过莫尔斯码进行信息编码和传输。a) 用于编码的字母、数字和标点符号的莫尔斯码符号。b) 对应于不同手指弯曲程度的相对电容变化，代表莫尔斯码中的“点”和“划”。c–e) 与特定字母、数字和标点符号相关的电容响应。f,g) 电容输出信号，包括“SOS”、“I AM OK”和“I NEED HELP”的莫尔斯码。

综上所述，本研究通过简单绿色的捏合工艺成功制备出高性能SPM水凝胶，其具备卓越的拉伸性、导电性、自愈合性和粘附性，所构建的电容传感器在健康监测和安全通信方面表现出色，且具备良好的生物降解性，为可持续柔性电子材料的发展提供了新思路，未来在可穿戴设备、实时健康监测和辅助通信等领域具有广阔应用前景。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！