隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，柔性可穿戴設(shè)備在人機(jī)交互、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域備受關(guān)注。導(dǎo)電水凝膠因兼具固體的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、含水量和導(dǎo)電特性，成為理想的候選材料。然而，現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠存在集成性能欠佳、制備過程耗時(shí)耗能、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)一致性差等問題，嚴(yán)重制約了其規(guī)?；瘧?yīng)用和功能拓展。因此，開發(fā)一種兼具優(yōu)異的力學(xué)性能、高導(dǎo)電性、自粘性和生物相容性水凝膠材料勢(shì)在必行，但也極具挑戰(zhàn)性。

近日，浙江農(nóng)林大學(xué)厲世能博士聯(lián)合東南大學(xué)王炳昊研究員設(shè)計(jì)與開發(fā)了一種基于氧化石墨烯（GO）-L-抗壞血酸（LAA）納米催化體系的多功能導(dǎo)電水凝膠。團(tuán)隊(duì)通過以GO和LAA構(gòu)建納米自催化系統(tǒng)，利用兩者間的特有的還原機(jī)制誘導(dǎo)產(chǎn)生自由基，實(shí)現(xiàn)水凝膠在室溫下數(shù)分鐘內(nèi)無(wú)需外部能量輸入的快速自凝膠化。成功制備出兼具優(yōu)異力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度 235.9 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率 2522%）、高導(dǎo)電性（1.254 S/m）、強(qiáng)自粘性（可牢固粘附于多種基材表面）以及良好生物相容性的多功能導(dǎo)電水凝膠。該水凝膠作為表皮電子皮膚，可實(shí)現(xiàn)多尺度力學(xué)變形檢測(cè)和高精度生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、生理信號(hào)采集等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，為下一代可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展提供了新方案。此外，該水凝膠可快速制備大尺寸（0.3 m×0.5 m）產(chǎn)品，且能通過注塑、模具成型等方式實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)成果以“Time-efficient in situ fabrication of large-scale, mechanical robust, self-adhesive, electrically conductive hydrogel as epidermal electronic skin”為題發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《Journal of Materials Science & Technology》(2026, 261, 242-251)。論文第一作者為浙江農(nóng)林大學(xué)碩士生楊玉琴，東南大學(xué)博士研究生馮旭陽(yáng)以及浙江農(nóng)林大學(xué)本科生龐曉雯、徐禹同均作出重要貢獻(xiàn)，同時(shí)得到了浙江大學(xué)文俊儒老師、浙江農(nóng)林大學(xué)徐義剛教授以及杭州師范大學(xué)湯龍程教授的大力支持，研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金與浙江農(nóng)林大學(xué)人才科研基金支持。

【基于GO-LAA納米催化體系的力學(xué)穩(wěn)定、自粘附導(dǎo)電水凝膠水凝膠室溫快速制備】

圖1：AG-PAH水凝膠的設(shè)計(jì)原理、功能集成及潛在應(yīng)用

該研究利用氧化石墨烯與L-抗壞血酸的納米催化系統(tǒng)，構(gòu)建"一鍋法"室溫快速凝膠體系(圖1)。GO通過石墨氧化剝離制備，LAA來(lái)源于天然植物提取，二者在室溫下觸發(fā)化學(xué)還原并引發(fā)丙烯酸(AAc)的自由基聚合，實(shí)現(xiàn)133秒內(nèi)從液態(tài)到凝膠的轉(zhuǎn)變。該體系無(wú)需傳統(tǒng)熱引發(fā)或UV照射，僅依賴GO-LAA自催化作用，可完成大面積制備與復(fù)雜成型，為綠色高效制備多功能導(dǎo)電水凝膠提供新路徑。同時(shí)，這種高效制備的多功能水凝膠集成了優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性和自粘附能力，可作為電子皮膚傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)日常生活人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)。

圖2：AG-PAH水凝膠力快速成膠過程機(jī)理及表征

該研究利用L-抗壞血酸與氧化石墨烯的氧化還原反應(yīng)構(gòu)建納米催化系統(tǒng)(圖2)。LAA的烯二醇基團(tuán)與GO片層含氧官能團(tuán)發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，在室溫下觸發(fā)化學(xué)還原并生成石墨烯自由基與羥基自由基，引發(fā)丙烯酸單體快速聚合，133秒內(nèi)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該過程伴隨明顯放熱(22.3°C升至62.6°C)，XPS、Raman等多重光譜證實(shí)GO成功還原。該體系展現(xiàn)出廣泛的單體適用性，可實(shí)現(xiàn)”一核多花”式的多功能水凝膠快速制備，為高效構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與機(jī)械增強(qiáng)結(jié)構(gòu)提供了分子級(jí)設(shè)計(jì)策略。

【AG-PAH水凝膠力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)演變】

通過GO-LAA納米催化系統(tǒng)的協(xié)同作用，AG-PAH水凝膠展現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度達(dá)235.9 kPa、斷裂伸長(zhǎng)率2522%、韌性4.21 MJ/m3，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)樣品。GO納米片與聚合物鏈間的氫鍵及鏈纏結(jié)構(gòu)建平均孔徑23.77 nm的蜘蛛網(wǎng)狀分級(jí)結(jié)構(gòu)；FT-IR和XPS譜學(xué)特征證實(shí)高效交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成。該水凝膠兼具1330 J/m2斷裂能與可逆粘附特性，可承受穿刺、拉伸及40倍充氣等嚴(yán)苛形變，為電子皮膚的穩(wěn)定傳感提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(圖3)。

圖3：AG-PAH水凝膠的力學(xué)性能及表征

【AG-PAH水凝膠的自粘附性與機(jī)電性能】

AG-PAH水凝膠在空氣中展現(xiàn)優(yōu)異的自粘附性能，對(duì)橡膠、塑料、金屬、玻璃、陶瓷、木材、紙張、布料、樹葉及豬皮等九類基材的粘附強(qiáng)度達(dá)10.4-27.7 kPa。GO與LAA的活性官能團(tuán)通過氫鍵、金屬配位及偶極-偶極多重可逆作用形成強(qiáng)界面粘附，經(jīng)歷5次剝離-再粘附循環(huán)后強(qiáng)度保持率>82%。大鼠組織學(xué)分析證實(shí)其生物相容性良好，2小時(shí)皮膚接觸無(wú)刺激，且無(wú)需膠帶即可實(shí)現(xiàn)人體皮膚的無(wú)殘留貼合，有效避免了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的界面分離與信號(hào)失真問題(圖4)。

圖4：AG-PAH水凝膠的自粘附性能

作為應(yīng)變傳感器，AG-PAH水凝膠展現(xiàn)優(yōu)異機(jī)電性能與穩(wěn)定性：電導(dǎo)率達(dá)1.254 S/m可點(diǎn)亮LED燈泡，在0-2374%寬檢測(cè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)三階段線性響應(yīng)，最大應(yīng)變系數(shù)11.23，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅145/146 ms。傳感器可精準(zhǔn)捕捉多尺度形變——從手指/手腕/肘部彎曲到面部表情、吞咽、發(fā)聲等細(xì)微生理活動(dòng)，甚至實(shí)現(xiàn)簽名識(shí)別。結(jié)合無(wú)線技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ECG/EMG信號(hào)，準(zhǔn)確識(shí)別不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的PQRST波特征(圖5)，綜合性能遠(yuǎn)超同類快速凝膠化導(dǎo)電水凝膠，為下一代可穿戴健康監(jiān)測(cè)提供了可靠平臺(tái)。

圖5：AG-PAH水凝膠的機(jī)電傳感性能

總結(jié)：本研究通過構(gòu)建GO-LAA納米催化體系，突破傳統(tǒng)水凝膠制備能耗高、耗時(shí)長(zhǎng)及性能平衡困難的局限，實(shí)現(xiàn)兼具力學(xué)強(qiáng)韌（拉伸強(qiáng)度235.9 kPa、斷裂伸長(zhǎng)率2522%）、高導(dǎo)電性（1.254 S/m）及優(yōu)異自粘附（木材27.7 kPa）的多功能水凝膠的室溫超快速制備（133秒）。該材料在0-2374%寬檢測(cè)范圍內(nèi)保持高靈敏度（最大GF=11.23），響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅145/146 ms，可精準(zhǔn)捕捉從關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、面部表情、吞咽發(fā)聲到ECG/EMG的多尺度生理信號(hào)，甚至實(shí)現(xiàn)簽名識(shí)別功能，結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)為下一代可穿戴健康監(jiān)測(cè)提供了高效可靠的解決方案。

“Time-efficient in situ fabrication of large-scale, mechanical robust, self-adhesive, electrically conductive hydrogel as epidermal electronic skin”

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.075