廣州大學/華南理工：TEMPO氧化纖維素納米纖維增強水凝膠，用于溫度響應和人體運動傳感

如今，由于電子技術的快速發展，柔性可穿戴電子設備被廣泛應用于各種智能應用中，如遠程醫療診斷、電子皮膚和人機界面。皮膚作為人體的感覺器官，具有靈活性、可拉伸性，對各種外部信號敏感，如張力、壓力、溫度或濕度。受醫療需求的激勵和這些特性的挑戰，模擬天然皮膚的感覺和刺激反應性的電子皮膚的設計和制造引起了世界各地研究人員的極大關注。導電水凝膠由于其許多有前途的特性，如優異的可彎曲性和皮膚親和性、柔性功能可調節性、可靠的導電性或易于制造，已被為組裝柔性和可穿戴電子皮膚的材料之一。

水凝膠是典型的具有三維網絡結構的柔軟潮濕材料，通過物理、離子或共價相互作用交聯聚合物鏈形成。水凝膠可以容納大量的流體，同時仍然保持穩定和不溶性。由于其良好的親水性、滲透性和低摩擦系數，水凝膠在泡沫或海綿、軟組織工程、流體吸收劑和生物傳感器膜中具有巨大的應用潛力，僅舉幾個與醫學相關的例子。通常，水凝膠主要由石油基合成聚合物制成，主要如聚甲基丙烯酸2-羥基乙酯（pHEMA）、聚乙二醇（PEG）、（PVA）、聚丙烯酸（PAA）和聚丙烯酰胺（PAM）。在這些合成聚合物中，由丙烯酸（AA）聚合合成的PAA不僅具有良好的生物相容性，而且攜帶大量親水性-COOH基團，可以為離子導電水凝膠提供富含水分的交聯網絡，賦予PAA基離子導電水凝膠高導電性。因此，基于PAA的水凝膠被認為是柔性電子皮膚的理想候選者。然而，純PAA水凝膠通常具有較弱的抗壓強度和抗疲勞性，因此當對其施加強大的外部壓縮力時，它們經常被損壞或破壞。這大大抑制了它們作為壓力檢測的應變和壓力傳感器的應用，例如，在人類疾病的檢測中，例如對扁平足患者的初步篩查。此外，水凝膠電子皮膚的實際應用可能涉及顯著變化的熱環境和水合環境（例如，冷、熱、干或濕條件），從力學、功能和人體設備集成的角度對水凝膠電子皮膚提出了重大挑戰[36]。此外，含有大量水的傳統導電水凝膠往往不可避免地在零度以下的溫度下結冰，并在結冰狀態下失去靈活性，這大大限制了此類水凝膠在寒冷環境中的使用。這也導致導電水凝膠傳感器不能對溫度刺激做出一致響應。因此，開發能夠在零度以下對各種刺激做出反應的水凝膠電子皮膚非常重要。總體而言，水凝膠電子皮膚在低溫和高溫下同時具有良好的生物相容性、足夠的強度和抗疲勞性以及優異的導電性和環境兼容性是一個重大挑戰。

纖維素納米纖維（CNFs）是一種重要的具有優異生物相容性的納米纖維素類型，作為一種特殊的添加劑已被廣泛應用，特別是通過其固有的楊氏模量、高縱橫比和高表面活性來增強水凝膠的機械性能。除此之外，近年來，據報道，CNFs還具有在不同系統中作為有效分散劑的能力，例如Pickering乳液、石墨烯分散體和PEDOT等。這啟發了我們，CNFs.實際上可以起到分散劑（用于減少PAA聚合物鏈的團聚）和機械增強劑（用于增強AA基水凝膠的機械性能）的雙重作用。此外，為了提高冷凍耐受性，可以將離子化合物作為冷凍保護劑引入水凝膠網絡中。然而，基于離子化合物的水凝膠（如NaCl、LiCl和CaCl2）存在一些局限性，例如由于脫水條件下不可避免的水蒸發，在長期使用過程中穩定性較差，阻礙了其實際應用。與離子化合物相比，甘油（1,2,3-泛三醇）能夠與水分子形成氫鍵，并擾亂水分子本身的自然排列，阻礙冰晶的形成（即在較低溫度下誘導凍結）和水的蒸發（即在較高溫度或較長時間內實現脫水）。甘油-H2O系統的防凍效果已在食品保鮮和汽車防凍配方中得到證明。據報道，通過引入甘油-H2O二元溶劑體系，離子導電有機水凝膠可以在較寬的溫度范圍（?20至60°C）內保持良好的機械和導電（~8.2 S m?1）性能。此外，有機水凝膠可以在25°C下放置30天，重量損失最小。這促使我們在PAA-CNFs系統中使用甘油-H2O二元溶劑，不僅可以保持水凝膠的高電導率，還可以提高水凝膠的防凍和保水性能。

亮點

1. 本工作基于TEMPO氧化CNFs（TOCNFs）的多功能性和金屬離子相互作用的綜合策略，制備了一種具有優異機械和電學性能的丙烯酸基導電水凝膠。

2. 具有豐富–COOH基團的TOCNFs在水凝膠中發揮著關鍵作用，其方式是：a）將聚丙烯酸（PAA）鏈良好分散在水凝膠中，形成均勻多孔的多網絡，b）提供更多–COOH與Fe3+相互作用，c）與PAA和甘油形成更多氫鍵，以及d）為最終水凝膠提供高模量。

3. 所獲得的水凝膠顯示出競爭性的機械性能（在70%壓縮應變下為0.88 MPa；在873%拉伸應變下為0.24 MPa）和抗疲勞性能（在500次50%壓縮循環后的56.5%強度保持率；經過20次200°%拉伸循環后，強度保持率為51.7°%）、高電導率（2.45 S m?1）和靈敏度（對于超過100°%的拉伸應變，GF高達2.62），同時在?25°C下仍保持高電導率（1.67 S m?2）。

來源：傳感器專家網