隨著可穿戴電子設備與物聯網技術的飛速發展，人體運動監測、健康管理及人機交互等領域對高性能水凝膠傳感器的需求愈發迫切。水凝膠憑借其柔軟、可拉伸及離子導電特性，成為穿戴式傳感器的理想材料候選，但現有產品普遍面臨核心痛點：出汗環境下粘附穩定性差、信號易失真、生物相容性不足，且難以實現無痛按需剝離，嚴重限制了其實際應用。福州大學黃劍瑩教授此前已在導電水凝膠、濕度傳感器等領域取得系列成果，此次針對穿戴場景的關鍵技術瓶頸，成功研發出新型PASLC水凝膠（P(AAc-co-SBMA-co-LMA)/CMC）。
2026年1月13日，相關研究以“Dynamic Interchain Regulated Responsive Hydrogels With Stable Adhesion and On‐Demand Detachment for Comfortable Wearable Sensors”為題發表于《Advanced Functional Materials》上。
汗液自適應粘附機制：離子調控的動態鏈間作用創新
PASLC水凝膠通過一步自由基聚合反應合成，以丙烯酸（AAc）、磺酸甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）、月桂基甲基丙烯酸酯（LMA）為共聚單體，羧甲基纖維素（CMC）構建次級網絡，其核心創新在于利用汗液固有離子組成實現動態鏈間相互作用的智能調控，無需外部刺激即可完成粘附與剝離的雙向響應。其中：
（1）丙烯酸（AAc）：提供羧基（-COO-），是靜電屏蔽效應的核心作用位點；出汗時與 Na+配位，屏蔽鏈間靜電排斥，增強鏈間凝聚力；純水中無Na+時，羧基間排斥主導，驅動水凝膠溶脹剝離。
（2）磺酸甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）：兩性離子結構，增強水凝膠離子導電性（無需額外導電填料），提升傳感靈敏度；同時優化網絡交聯密度，增強水凝膠機械穩定性和界面潤濕性。
（3）羧甲基纖維素（CMC）：構建二次網絡，與AAc協同提供豐富含氧官能團，增強分子間氫鍵；提升水凝膠機械強度（拉伸強度95.3 kPa）和結構完整性，避免運動中破裂。
（4）疏水單體，通過疏水作用調節水凝膠溶脹平衡；抑制出汗時過度水化，增強濕粘附穩定性。
從宏觀功能來看，水凝膠在運動出汗場景中展現出抗溶脹強粘附特性，而在純水中則快速溶脹實現易剝離，直觀呈現了“環境自適應”的設計目標；從分子層面分析，出汗環境中，汗液中的Na+與水凝膠-COO-形成配位，屏蔽靜電排斥并增強鏈間內聚力，同時鹽離子引發鹽析效應，削弱聚合物-水相互作用，使網絡結構致密穩定；而在純水中，無離子屏蔽時靜電排斥加劇，水凝膠快速溶脹導致粘附失效。這些圖示還呈現了其應用場景架構，通過藍牙無線模塊實現運動信號的實時采集與多通道監測，為實際應用提供了清晰方案。
圖1.水凝膠濕粘附策略、鏈間作用機制及無線傳感系統示意圖。
汗液穩定粘附性能的調控機制
為驗證機制的科學性，團隊通過組分對比、光譜分析、理論計算等系列測試形成完整證據鏈：明確了AAc在離子調控中的核心作用，SBMA與LMA的協同優化增強了網絡致密性與抗溶脹能力；通過原位FT-IR、拉曼光譜等表征，證實鹽離子驅動分子間相互作用增強、鏈間距離縮短；DFT計算從理論上驗證了Na+與-COO-結合的穩定性，為離子調控機制提供了有力支撐。
圖2.水凝膠溶脹特性、鏈間作用及結構表征
按需粘附特性與濕環境強粘附性能
在粘附與剝離性能上，圖示清晰呈現了優化后的水凝膠配方在汗液環境中保持高粘附強度，對干燥和濕潤豬皮的粘附力均表現優異，且24 h連續汗液浸泡后性能依舊穩定；而在純水中，粘附強度可快速下降至無痛剝離水平，且無殘留，避免損傷皮膚屏障。同時，短暫水洗后仍能維持足夠粘附力，有效防止日常使用中意外脫落，兼顧了實用性與安全性。
圖3.水凝膠粘附性能及按需剝離測試
傳感穩定性與穿戴舒適性的雙重突破
在傳感性能上，圖示通過循環拉伸、不同速率測試等證實，水凝膠在大應變下滯后性低、抗疲勞性突出，250次拉伸循環后信號無明顯衰減；即使在汗液環境中長時間浸泡，低應變區域（對應人體關節運動）的靈敏度仍能保持較高水平，在體測試中可穩定捕捉膝關節運動信號長達50 min，無漂移失真，完全滿足劇烈運動時的傳感需求。在生物相容性上，細胞毒性測試與人體皮膚刺激測試圖示表明，水凝膠提取物對細胞存活率影響極小，連續皮膚接觸無過敏、紅腫等不良反應，為長期穿戴提供了安全保障。
圖4.水凝膠傳感性能及生物相容性測試
多場景應用潛力：從日常穿戴到極端環境的廣泛適配
用場景相關圖示充分展現了PASLC水凝膠的實用價值與拓展潛力，其創新設計使其應用遠超常規穿戴設備。
在智能運動監測領域，通過集成藍牙多通道無線傳感系統，可實時捕捉手指、手腕、膝蓋等多關節運動信號，通過信號特征提取，能精準區分運動類型（行走vs跑步）、強度（高抬腿vs深蹲）及頻率；多通道協同監測還能識別關節運動方向，為精準運動分析、康復訓練提供技術支撐。
在應急場景中，結合摩爾斯電碼協議，可通過電阻變化率傳輸“SOS”、“help”等求救信號，為運動損傷、戶外遇險等情況提供應急通信保障。
在極端環境適配上，圖示證實水凝膠在海水中仍能保持低溶脹率和結構完整性，穩定傳輸傳感信號，可用于水下作業監測、海洋環境傳感，甚至發送水下求救信號，為海洋作業安全提供技術支持，展現出在極端高鹽環境中的廣泛適用性。
此外，其汗液自適應粘附與溫和剝離特性，在智能醫療監測（如長期生理信號采集）、人機交互（如柔性可穿戴控制器）等領域也具有巨大應用潛力。
圖5.多通道無線傳感及運動識別測試
總結：福州大學團隊研發的PASLC水凝膠，以“靜電屏蔽+鹽析效應”的協同創新，成功破解了穿戴電子設備中濕粘附穩定性與按需剝離的長期矛盾。系列圖示從機制原理、性能驗證到應用場景，構建了“原理-性能-應用”的完整技術鏈條，直觀呈現了水凝膠無需外部刺激即可實現環境響應式粘附調控的核心優勢。
該水凝膠兼具高靈敏傳感性能、優異生物相容性及極端環境適配能力，全面滿足了穿戴設備的實用需求，為汗液自適應粘附材料的設計提供了新思路。其創新突破不僅顯著拓展了水凝膠基電子設備的應用場景，更有望推動下一代智能穿戴、健康監測及人機交互系統的技術革新，為相關領域提供更舒適、更可靠以及更多功能的解決方案。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202528954
