多功能离子导电水凝胶具有高离子导电性、优异的柔韧性和可拉伸性以及易得性等特点，作为柔性传感器在可穿戴健康监测和人体运动检测等多个领域获得了极大的吸引力。

近期，上海大学冯欣课题组通过聚乙烯醇（PVA）与芳纶纳米纤维（ANF）的冻融交联，以及随后在单宁酸（TA）和CaCl2溶液（DMSO/H₂O为助溶剂）混合物中的溶液浸渍交联，制备了具有优异机械性能、防冻性能、保水性和抗菌性能的多功能离子导电水凝胶。通过对水凝胶中多空间分布的氢键和Ca²⁺配位键网络的合理设计，显著提高了其机械性能。此外，通过引入TA和二元溶剂（DMSO/H₂O），水凝胶的抗菌性能和保水能力也得到了大幅提高。所得的PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶表现出优异的断裂伸长率（754.73%）、拉伸强度（6.25MPa）和电导率（3.09S/m），可用于柔性传感器，以监测人体在不同条件下的实时功能性运动。因此，这项创新为柔性传感器设备的构想开辟了一条新的思路，尤其是在人体活动监测领域。

图1.（a）多功能离子导电水凝胶的合成路线示意图。（b）具有（I）抗菌和（II）防冻性能的多功能离子导电水凝胶用于柔性传感器。

图2.（a）不同ANF和PVA溶液体积比下PA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。（b）PAT水凝胶在5wt%TA溶液中浸泡不同时间的拉伸应力-应变曲线。（c）不同CaCl₂浓度下PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的拉伸应力-应变曲线。（d）拉伸应变和拉伸应力与其他报道的导电水凝胶的比较。（e）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的频率依赖性振荡流变学曲线。（f）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H2O）水凝胶的温度依赖性振荡流变学曲线。（g）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同拉伸应变下的加载-卸载曲线和（h）相应的耗散能量。（i）10次循环期间PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在100%应变下的加载-卸载曲线以及（j）峰值应力和耗散能量。（k）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在100%应变下进行1000次循环拉伸试验。

图3.（a）在PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶上施加40%的压缩应变，释放后恢复原状。（b）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同压缩应变下的加载-卸载曲线和（c）相应的耗散能量。（d）10次循环期间PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H2O）水凝胶在40%压缩应变下的加载-卸载曲线以及（e）峰值应力和耗散能量。

图4.（a）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H2O）水凝胶和PAT₅/CaCl₂-5%（H₂O）水凝胶的低温耐受性照片。（b）-20℃下PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶和PAT₅/CaCl₂-5%（H₂O）水凝胶作为导体分别集成到与一个发光二极管连接的电路中。（c）25、-20、-30和-80℃下PAT₅/CaCl2-5%（DMSO/H₂O）水凝胶样品的奈奎斯特图和（d）离子电导率。（e）水凝胶在加热过程中的热流曲线。（f）动态置换后PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的防冻性能示意图。

图5.（a）水凝胶在应力作用下的电阻变化示意图。（b）水凝胶作为电路的导体，观察拉伸时LED的亮度变化。（c）具有不同CaCl₂含量的PAT₅/CaCl₂（DMSO/H₂O）水凝胶的离子导电性。（d）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的相对电阻随拉伸应变的变化。（e）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的响应和恢复时间。（f）不同拉伸应变（50%、100%、150%、200%和250%）下的相对电阻变化率。（g）100次循环期间PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在100%拉伸应变下的循环稳定性测试。（h）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同拉伸速率下的相对电阻变化。（i）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同天数下的相对电阻变化。（j）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同温度下的相对电阻变化。（k）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在反复弯曲下的相对电阻变化。（l）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在重复扭曲下的相对电阻变化。（m）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在重复拉伸下的相对电阻变化。

图6.PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶在不同条件下的相对电阻变化：（a）手指弯曲，（b）说“A”，（c）脚踏，（d）手腕弯曲，（e）膝盖弯曲和（f）肘部弯曲。（g）志愿者用包裹着水凝胶传感器的手指在iPad上写下“上海大学”、“SHU”，并画了关于郁金香的漫画。（h）阐明水凝胶压力传感特性的示意图。（i）通过书写不同的字母和单词来改变相对阻力。

图7.（a）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶的溶胀率和初始含水量。（b）PAT₅/CaCl₂-5%（DMSO/H₂O）水凝胶和PVA水凝胶在25℃、50.0%RH下储存30天后的重量比。（C）对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈定量统计。（d）在琼脂平板上培养24小时的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌落。

该工作以“Synergistic strengthening of PVA ionic conductive hydrogels using aramid nanofibers and tannic acid for mechanically robust, antifreezing, water-retaining and antibacterial flexible sensors”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》（DOI:10.1016/j.jcis.2023.10.127）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.127