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  柔性壓力和應(yīng)變傳感器（PSS）因其信號(hào)采集方便、響應(yīng)速度快，在可穿戴生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及健康檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，已成為研究熱點(diǎn)。水凝膠憑借其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電導(dǎo)率，成為柔性PSS設(shè)備中具有極大前景的軟傳感材料。水凝膠是通過(guò)將親水性高分子與水混合，利用聚合物交聯(lián)形成化學(xué)、物理或混合交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)制備而成。過(guò)去，已有多種水凝膠成功合成并應(yīng)用于柔性電子產(chǎn)品的開發(fā)中，其中包括PVA、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺等高分子水凝膠，以及天然高分子水凝膠如纖維素、殼聚糖、膠原蛋白和海藻酸鹽等。為了進(jìn)一步提升水凝膠的電導(dǎo)率，通常通過(guò)將導(dǎo)電材料（如聚苯胺、聚吡咯、石墨烯及其衍生物、碳納米管和金屬納米粒子）加入其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，這是一種簡(jiǎn)單有效的方式。然而，導(dǎo)電材料與水凝膠之間的相分離現(xiàn)象常常導(dǎo)致水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度較低，從而影響其性能。機(jī)械強(qiáng)度不足的柔性水凝膠基電子產(chǎn)品往往表現(xiàn)為檢測(cè)靈敏度差、檢測(cè)范圍小以及機(jī)械耐久性不足等問題，這些問題限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。

  PVA/硼砂水凝膠作為一種親水性高分子，能夠通過(guò)氫鍵或化學(xué)鍵形成獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。得益于硼酸酯鍵的動(dòng)態(tài)可逆性，這種水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、可塑性、可拉伸性和自修復(fù)能力。更為重要的是，適量納米材料的引入可以有效地耗散能量，從而顯著提高水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。此外，隨著生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用朝著環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方向推進(jìn)，基于生物質(zhì)材料的生物相容性PSS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。因此，開發(fā)一種新型的導(dǎo)電且可拉伸的水凝膠，以制造高性能的柔性電子產(chǎn)品，依然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

  福建理工大學(xué)陳汀杰&華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊宇&香港城市大學(xué)孫嘉績(jī)（Jiaji Sun）團(tuán)隊(duì)合作，采用簡(jiǎn)便有效的物理球磨方法，成功制備了一種具有導(dǎo)電性和生物相容性的植物纖維與碳納米管（CNT）修飾的聚乙烯醇（PVA/PF@CNT）水凝膠，并展示了其在柔性PSS中的應(yīng)用。為了提高水凝膠的拉伸性能，研究人員通過(guò)物理球磨將具有較大比表面積、固有極化表面以及優(yōu)異機(jī)械性能的環(huán)保植物纖維引入并分散在PVA溶液中。隨后，將具有優(yōu)異電導(dǎo)性、大長(zhǎng)徑比以及豐富表面功能基團(tuán)（如–OH）的CNTs添加到PVA/PF復(fù)合材料中，以促進(jìn)水凝膠體系中氫鍵的形成。經(jīng)過(guò)物理球磨處理后，CNTs在PVA/PF復(fù)合材料中均勻分散，使得PVA/PF@CNT水凝膠的電導(dǎo)性顯著提升，同時(shí)保持了良好的機(jī)械性能。所制備的PVA/PF@CNT水凝膠展現(xiàn)出卓越的拉伸性能（最大拉伸應(yīng)變可達(dá)4200%）、塑性、自修復(fù)能力及良好的電導(dǎo)性（2.8×10?3 S m?1），可作為柔性材料用于電容式應(yīng)變傳感器（CPSS）的組裝。更有趣的是，研究人員在PVA/PF@CNT水凝膠中添加了一定量的可膨脹聚合物微球，經(jīng)過(guò)高溫干燥處理后，水凝膠能夠發(fā)泡成具有可壓縮回彈性的多孔PVA/PF@CNT海綿。該海綿表現(xiàn)出良好的電導(dǎo)性（2.21×10?? S m?1）、優(yōu)異的可壓縮回彈性（壓縮應(yīng)變可達(dá)80%）以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性，可被組裝成壓阻式壓力傳感器（PRPS）�；�PVA/PF@CNT的雙模傳感器展示了機(jī)械負(fù)載與電信號(hào)之間的良好同步性，具有較高靈敏度（CPSS為1.27，PRPS為0.89 kPa?1）、良好的穩(wěn)定性和耐用性，能夠精確收集人體生理信號(hào)，在可穿戴電子產(chǎn)品和人機(jī)交互領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖1. PVA/PF@CNT水凝膠及多孔海綿的制備流程

圖2 PVA/PF@CNT水凝膠的表征及相互作用機(jī)理

圖3 PVA/PF@CNT水凝膠的拉伸性能和粘附性能

圖4 PVA/PF@CNT水凝膠的導(dǎo)電性能

圖5 PVA/PF@CNT水凝膠的傳感性能

圖6 基于PVA/PF@CNT水凝膠的柔性傳感器檢測(cè)

圖7 PVA/PF@CNT多孔海綿的性能

  文獻(xiàn)鏈接：Polyvinyl alcohol modified plant fiber hydrogel pressure and strain dual-model sensors for biomedical signal detection. Advanced Composites and Hybrid Materials. 2025. 8, 214.

  https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-01165-1