传统的水凝胶在潮湿环境中会出现明显的膨胀，机械性能较差，这在很大程度上限制了其在可穿戴电子设备中的应用，尤其是在水下传感方面。此外，两栖环境中对应变传感器的需求也在不断增长，如植入式传感器、水下机器人传感器和游泳者智能报警器。两栖环境要求传感器能够应对各种环境变化，并在长期水下环境中保持导电稳定性。

近日，苏州大学程丝教授课题组从细胞外基质（ECM）结构中汲取灵感，开发出一种具有优异机械坚固性和抗溶胀性的TPU-PVAc@AgNPs/MXene纳米纤维状水凝胶复合材料（TPAMH）。TPAMH纳米纤维水凝胶复合材料是通过将银纳米粒子（AgNPs）和MXene纳米片整合到一个由刚性TPU纳米纤维作为纤维支架和甲酸交联PVA水凝胶纤维作为弹性基质（PVAc）的交织网络中而成的(图1)。得益于独特的仿生ECM结构，所获得的纳米纤维水凝胶复合材料具有优异的拉伸强度、断裂伸长率、抗膨胀性和高检测灵敏（最大GF= 105.02），可以有效监测空气和水环境中的各自人体运动，例如手指、肘部、手腕及膝盖处的大应变运动，皱眉、微笑和脉搏跳到等小应变生理信号，以及水下多方向运动和利用摩斯密码水下报警等。该工作以“Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors”为题发表在《Materials Horizons》上。

图1 基于ECM结构的TPAMH纳米纤维水凝胶复合材料的制备

TPU-PVAc机械性能的大幅改善（图2）归功于纳米纤维水凝胶网络中的多种机械能耗散机制，包括ECM中纳米纤维网络结构提供的机械支撑，PVAc的不可逆化学交联以及TPU和PVAc之间的可逆氢键。

图2 TPAMH的机械性能

MXene与Ag纳米颗粒的协同作用极大提升了TPAMH的灵敏度。由于具有高拉伸性和灵敏度，TPAMH 的相对电阻在很宽的应变范围内显示出可逆和稳定的变化，包括低应变（1-40%）和高应变（50-500%）。此外，TPAMH还展示出出色的响应/回复时间及循环稳定性（图3）。

图3 TPAMH 的应变传感性能

TPAMH可以高精度地检测手指、肘部、手腕和膝盖的大应变运动，以及皱眉、微笑和脉搏跳动等小应变生理信号（图4）。

图4 TPAMH用于人体运动检测

TPU的疏水段会排斥水分子，并通过疏水相互作用使疏水基团聚集在界面上，从而增强纳米纤维水凝胶的抗溶胀性能。此外，与传统PVA水凝胶相比，PVA与甲酸的交联消耗了大量羟基，这也有助于提高其抗溶胀性能。在水中浸泡7天后，TPAMH的传感性能基本上维持稳定(图5)。

图5 TPAMH的抗溶胀行为和水下应变传感性能

得益于TPAMH具有出色的抗溶胀和传感能力，使其能够在水下变形过程中也能输出稳定的电信号。此外，它还能通过模拟莫尔斯电码进行水下通信和危险预警，并能准确检测水下机器人的运动模式(图6)。

图6 TPAMH在水下运动检测和水下通信中的应用

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D4MH01025F

人物简介：

程丝，苏州大学教授，博士生导师。研究方向为有机/无机功能性纳米纤维复合材料用于柔性传感、海水淡化及电催化析氢等。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew Chem. Int. Ed、Adv. Func. Mater.等期刊上发表SCI论文近50余篇。授权发明专利12项。