可穿戴式传感设备具有可持续监测和灵敏的检测能力，在包括医疗保健和体育在内的各个领域提供了相当大的便利，然而，目前市场上可用的可穿戴传感器是由刚性材料制成的，这使得它们戴起来不舒服，在某些环境中会导致读数不准确。在柔性传感器方面，具有优异保湿性能、柔韧性和生物相容性的聚丙烯酰胺
(PAM)
水凝胶是一种很好的材料，但因为其抗拉强度并不优异，导致应用范围受到限制。纤维素具有独特的性质和结构，是一种制备水凝胶的理想材料，然而，纤维素具有丰富的羟基，表现出很强的吸水能力，导致水凝胶电子皮肤容易吸收水分，从而失去附着力。
西南林业大学
杜官本院士、杨龙研究员，万建勇博士和沈经杰博士
团队
氧化了纤维素得到
双醛纤维素
(DAC)
，减少了吸水率，
同时使用明胶与双醛纤维素在掺入
PAM
的条件下发生席夫碱反应生成了双网络水凝胶
，增加了结合水的含量。该水凝胶具有优异的力学性能、
较强的附着力
、一定的冻融稳定性和
较高的灵敏度
，且内部疏水性减少了与水分子的相互作用，使水能够
快速渗透到内部
而不是停留在表面，从而实现了水凝胶的长期粘附，为开发下一代柔性传感器提供了机会。
该工作以
”
Cellulose-Based Dual-Network Conductive Hydrogel with Exceptional Adhesion
”
为名发表在
2024
年的《
Advanced Functional Materials
》上。
【制备工艺】
首先，在机械搅拌下将
0.1g
明胶溶于
2mL
去离子水中
5-10
分钟，得到明胶溶液。然后用不同数量的明胶重复此过程，得到一系列浓度为
1.25
、
2.5
、
3.75
和
5wt%
的明胶溶液。随后，将
0.1gDAC
加入
2mL10%NaOH
溶液中，然后搅拌
2-5
分钟直至完全溶解，得到
DAC
溶液。然后将两种溶液合并，将混合物在
75°C
的水浴中加热，搅拌
2
小时以确保反应完全。该工艺制备了
DAC-Gel
、
DAC-2Gel
、
DAC-3Gel
和
DAC-4Gel
溶液，每种溶液具有不同的明胶浓度。随后，将
0.06g
过硫酸铵（
APS
）作为引发剂，
5mg
N
，
N
′-
亚甲基双丙烯酰胺（
MBAA
）作为交联剂，将
2g
丙烯酰胺（
PAM
）加入
DAC-Gel
溶液中，然后搅拌
10min
。最后，将混合物倒入哑铃形聚四氟乙烯模具中，然后置于
60°C
的预热烘箱中
5
分钟，形成
PAM/DAC-Gel
、
PAM/DAC-2Gel
、
PAM/DAC-3Gel
和
PAM/DAC-4Gel
水凝胶。
【文章亮点】
1.
双网状结构
提高了水凝胶的抗膨胀性和渗透性
：通过席夫碱反应生成密集的双网络结构，这使得水凝胶内部氢键相互作用加强，更多的自由水变成了结合水，
显著提高了水凝胶的抗膨胀性和渗透性。除此之外，水凝胶也具有一定的抗冻性且双网络结构使力学性能也得到了提高。
2.
优异
的粘附性能
：
通过控制席夫碱反应时明胶的含量，发现在含量为
2.5wt%
时制得的水凝胶粘附性能最好，与铝的粘附力达
240KPa
，与猪皮之间的粘附力达到
8.6KPa
，这表明水凝胶可以承受各种运动而不脱落，保证了水凝胶应变传感器对人体活动的可靠监测。
3.
优异
的传感性能
：
使用性能最好的
PAM/DAC-2Gel
水凝胶做传感器测试发现，
Na
+
的加入增强了
PAM/DAC-2Gel
水凝胶的灵敏度，实现了其传感性能的稳定性和可重复性，且在不同负载下具有快速的响应时间和一致的传感性能。也证明了
PAM/DAC-2Gel
水凝胶拥又广泛的应用范围。
图
1
：
PAM/DAC-Gel
水凝胶从原料到制备的示意图及突出性能
图
2
：
a
）
PAM/DAC-2Gel
水凝胶网络的合成及制备流程
b
）
DAC-2Gel
、
GeL
和
DAC
的傅里叶变换红外光谱
c
）
DAC
和
DAC-2Gel
的
x
射线光电子能谱
d
）
PAM/DAC-2Gel
和
PAM/MCC
水凝胶的吸水和溶胀性能比较
图
3
：
a)PAM
、
PAM/MCC
、
PAM/DAC-Gel
水凝胶分子间氢键相互作用概念图；
b)PAM/MCC
、
PAM/MCC/Gel
和
4
种明胶含量不同水凝胶的
FTIR
光谱；
c)PAM/DAC-2Gel
、
PAM/MCC
、
PAM
水凝胶的差示扫描量热仪（
DSC
）曲线；
d)
差示扫描量热法测定
