柔性壓力和應變傳感器（PSS）因其信號采集方便、響應速度快，在可穿戴生物醫學設備、人體運動監測及健康檢測等領域展現出巨大的應用潛力，已成為研究熱點。水凝膠憑借其獨特的三維網絡結構和優異的電導率，成為柔性PSS設備中具有極大前景的軟傳感材料。水凝膠是通過將親水性高分子與水混合，利用聚合物交聯形成化學、物理或混合交聯網絡制備而成。過去，已有多種水凝膠成功合成并應用于柔性電子產品的開發中，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。為了進一步提升水凝膠的電導率，通常通過將導電材料（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）加入其網絡結構中，這是一種簡單有效的方式。然而，導電材料與水凝膠之間的相分離現象常常導致水凝膠的機械強度較低，從而影響其性能。機械強度不足的柔性水凝膠基電子產品往往表現為檢測靈敏度差、檢測范圍小以及機械耐久性不足等問題，這些問題限制了其在實際應用中的推廣。
PVA/硼砂水凝膠作為一種親水性高分子，能夠通過氫鍵或化學鍵形成獨特的三維網絡結構。得益于硼酸酯鍵的動態可逆性，這種水凝膠展現出優異的柔韌性、可塑性、可拉伸性和自修復能力。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械強度。此外，隨著生物醫學應用朝著環保和可持續發展方向推進，基于生物質材料的生物相容性PSS技術在生物醫學領域受到了廣泛關注。因此，開發一種新型的導電且可拉伸的水凝膠，以制造高性能的柔性電子產品，依然是一項具有挑戰性的任務。
福建理工大學陳汀杰&華南農業大學楊宇&香港城市大學孫嘉績（Jiaji Sun）團隊合作，采用簡便有效的物理球磨方法，成功制備了一種具有導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中的應用。為了提高水凝膠的拉伸性能，研究人員通過物理球磨將具有較大比表面積、固有極化表面以及優異機械性能的環保植物纖維引入并分散在PVA溶液中。隨后，將具有優異電導性、大長徑比以及豐富表面功能基團（如–OH）的CNTs添加到PVA/PF復合材料中，以促進水凝膠體系中氫鍵的形成。經過物理球磨處理后，CNTs在PVA/PF復合材料中均勻分散，使得PVA/PF@CNT水凝膠的電導性顯著提升，同時保持了良好的機械性能。所制備的PVA/PF@CNT水凝膠展現出卓越的拉伸性能（最大拉伸應變可達4200%）、塑性、自修復能力及良好的電導性（2.8×10?3 S m?1），可作為柔性材料用于電容式應變傳感器（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，經過高溫干燥處理后，水凝膠能夠發泡成具有可壓縮回彈性的多孔PVA/PF@CNT海綿。該海綿表現出良好的電導性（2.21×10?? S m?1）、優異的可壓縮回彈性（壓縮應變可達80%）以及出色的循環穩定性，可被組裝成壓阻式壓力傳感器（PRPS）。基于PVA/PF@CNT的雙模傳感器展示了機械負載與電信號之間的良好同步性，具有較高靈敏度（CPSS為1.27，PRPS為0.89 kPa?1）、良好的穩定性和耐用性，能夠精確收集人體生理信號，在可穿戴電子產品和人機交互領域展現出巨大的應用潛力。
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
圖7 PVA/PF@CNT多孔海綿的性能
文獻鏈接：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
