基于聚（丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）自修复超拉伸水凝胶应变传感器及其生物医学应用探索

　　本综述系统介绍了一种基于PVA/AMPS/AM/MBA/Irgacure 2959的紫外光固化水凝胶应变传感器，具备超高拉伸性（1000%）、快速自修复（3秒）和优异循环稳定性（1000次@20%应变）。其快速电机械响应（414毫秒）和恢复特性（460毫秒）为实时监测关节肌肉运动提供了新技术方案，在可穿戴医疗设备领域具有重要应用价值。

　　

材料设计与合成策略

本研究通过精确配比聚乙烯醇（PVA）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和光引发剂Irgacure 2959，构建了具有三重网络结构的智能水凝胶体系。PVA提供主体框架并形成氢键网络，AMPS引入磺酸基团（-SO₃H）增强离子导电性，MBA作为交联剂构建共价网络，甘油作为增塑剂改善柔韧性。合成过程中采用分步添加策略：先溶解PVA基底，依次加入甘油、光引发剂、交联剂和单体，最后通过紫外光照引发聚合反应。优化后的配方中PVA浓度为0.2g/6mL水，此比例下可获得透明柔韧的完美水凝胶。

结构与性能表征

扫描电镜（SEM）图像显示水凝胶表面光滑均匀（8000倍放大），切割后再愈合的样本在1500倍和8000倍放大下呈现完整的界面融合。能谱分析（EDX）证实元素组成：碳（46.70%质量比）、氧（33.91%）、氮（11.95%）和硫（6.01%），与理论组成高度吻合。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在3454cm^-1处显示强O-H伸缩振动峰，2958cm^-1为C-H伸缩振动，1680cm^-1处为C=O特征峰，1040-1180cm^-1范围出现S=O特征吸收，证实了磺酸基团的存在和氢键网络的形成。

电学性能与传感机制

电流-电压（IV）测试表明传感器在0-100%应变范围内均保持欧姆特性。电阻值随应变增加呈线性变化：0%应变时160kΩ，25%时250kΩ，50%时350kΩ，75%时400kΩ，100%时500kΩ。计算得到灵敏度系数（GF）为1.94。稳定性测试显示在50%应变下保持10分钟后，电阻漂移仅±3%，初始电阻90kΩ与结束电阻120kΩ保持良好一致性。循环测试表明传感器可承受1000次20%应变循环而无性能衰减。

动态响应与自修复特性

传感器表现出卓越的动态性能：响应时间414毫秒，恢复时间460毫秒。在10%-100%应变范围内进行增量/减量测试，均显示完全可逆的电阻变化。自修复能力尤为突出，完全切断的水凝胶在3秒内实现自主愈合，愈合效率达95-98%。修复后的传感器可承受100%应变而不破裂，LED电路实验证实其电学功能完全恢复。这种快速自修复能力源于动态可逆的氢键和离子相互作用，磺酸基团电离产生的离子键和PVA羟基形成的氢键网络共同构成了自修复的分子基础。

生物医学应用验证

将传感器贴附于人体指关节进行弯曲测试，在45秒内记录到21次完整的弯曲-放松周期，初始和最终电阻均保持在140kΩ左右。手腕运动监测显示相似的稳定信号输出，峰值电阻180.00±2.62kΩ，信噪比（SNR）达33.30±10.20dB。手指弯曲测试中峰值电阻184.73±2.42kΩ（变异系数CV=1.31%），信噪比45.30±9.05dB，表明信号高度稳定可靠。传感器在体温（37°C）下表现出略优于室温（25°C）的导电性，证实其适用于人体温度环境。

性能比较与优势分析

与现有技术相比，本研究的水凝胶传感器在多项关键指标上表现突出：拉伸性（1000%）优于多数报道体系（通常<700%），自修复时间（3秒）远快于传统材料（数分钟至数小时），循环稳定性（1000次）达到实用要求。其紫外光固化制备工艺简单高效，无需氮气保护，大幅降低了制造成本和工艺复杂度。材料组成中未使用贵金属或碳纳米管等昂贵组分，具有良好的成本效益和规模化生产潜力。

应用前景与展望

这种多功能水凝胶传感器为可穿戴医疗设备提供了新的技术解决方案，特别适用于长期运动监测、康复治疗评估和软体机器人传感等领域。其快速自修复特性显著提高了设备的使用寿命和可靠性，超高的拉伸性确保了与人体组织的机械兼容性，而优异的电学性能则为实时生理信号采集提供了技术基础。未来可通过进一步优化材料配方和器件结构，开发出更先进的生物集成传感系统。