兼具拉伸性、抗冻性与自修复功能的两性离子聚丙烯酸酯水凝胶在柔性可穿戴传感器中的应用研究

　　针对传统水凝胶易损伤导致功能衰退的问题，研究人员通过整合两性离子（zwitterions）、纳米二氧化硅（SiO2 ）和铝离子（Al3+ ），开发出具有多重动态键协同作用的自修复聚丙烯酸酯水凝胶。该材料拉伸强度提升至162.6 kPa，室温下20分钟即可恢复90%以上电学性能，且在-20°C下仍保持传感功能，为柔性电子器件提供了高性能解决方案。

　　

在当今柔性电子技术飞速发展的时代，水凝胶因其独特的"湿软"特性被视为理想的可穿戴传感器材料。然而，传统水凝胶面临机械强度低、易损伤且缺乏自修复能力的瓶颈，严重制约其实际应用。针对这一挑战，中国某高校的研究团队创新性地将两性离子、纳米二氧化硅和铝离子引入聚丙烯酸酯（PA）水凝胶体系，开发出兼具优异力学性能与环境稳定性的新型智能材料，相关成果发表于《Chinese Journal of Chemical Engineering》。

研究团队采用溶液聚合法构建水凝胶网络，通过核磁共振（¹
H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征化学结构，结合扫描电镜（SEM）观察微观形貌，并系统测试了材料的机械性能、自修复效率和低温稳定性。

化学结构分析
通过¹
H NMR证实成功合成磺酸基甜菜碱（SPB）单体，FT-IR显示Al³⁺
与羧基形成配位键。SEM图像显示纳米SiO₂
的引入显著增加材料孔隙率和粗糙度。

力学与自修复性能
含15%纳米SiO₂
的SPB-PA@SiO₂
-15-Al³⁺
水凝胶拉伸强度达162.6 kPa，较空白样品提升10倍。多重氢键、配位键和静电相互作用使材料在室温下20分钟即可恢复90%以上电学与力学性能。

传感与抗冻特性
作为应变传感器时展现1.87的应变系数（GF），能精准监测人体关节活动。在-20°C冷冻3小时后仍保持稳定电信号传输能力，突破常规水凝胶低温失活的限制。

该研究通过动态键协同策略成功解决水凝胶强度-自修复性能难以兼顾的难题。所开发材料在电子皮肤、医疗监测等领域具有重要应用价值，特别是其环境稳定性为寒区可穿戴设备提供了新选择。研究获得国家重点研发计划（2022YFE0138900）和国家自然科学基金（21972017）等项目的支持。