基于羟丙基甲基纤维素(HPMC)的多功能生物启发导电水凝胶在柔性传感器中的应用研究

本文创新性地开发了一种基于羟丙基甲基纤维素(HPMC)的复合导电水凝胶，通过丙烯酰胺(AM)与甲基丙烯酸硬脂酯(SMA)的胶束共聚，结合被囊动物纤维素纳米晶(TCNCs)和银包覆MXene纳米片，成功构建了兼具超强拉伸性(4520%)、抗断裂韧性(6.128 MJ/m3)、自修复性和光热抗菌功能的柔性传感器材料。该材料展现出卓越的应变灵敏度(GF=7.57)、压力敏感性(2.96 kPa?1)和温度响应性(TCR=?2.47%/°C)，为可穿戴设备和人机交互系统提供了新型环境友好解决方案。

　　

Highlight

这项研究通过简单高效的胶束聚合法，将生物相容性优异的羟丙基甲基纤维素(HPMC)与被囊动物纤维素纳米晶(TCNCs)、银包覆MXene(MXene/Ag)纳米片协同整合，开发出具有"皮肤仿生"特性的多功能导电水凝胶。该材料突破性地实现了超软特性(模量10.04 kPa)与超高韧性(断裂能6.128 MJ/m³)的完美平衡，其4520%的惊人拉伸性能远超常规水凝胶材料。

Fabrication and characterization of the hydrogel

水凝胶的制备过程如同"分子乐高"般精巧：首先通过硫酸水解法从被囊动物中提取出高长径比(>70)的TCNCs纳米棒(直径25±9 nm，长度1804±68 nm)，随后在MXene层间原位生长银纳米颗粒(AgNPs)以增强其分散性和光热效应。当这些组分与HPMC和两亲性单体在胶束环境中共聚时，疏水缔合作用与氢键网络形成"动态交联舞蹈"，使材料同时获得优异的机械性能和导电性(电导率达3.2 S/m)。

Conclusions

这项研究如同打开了一扇"绿色智能材料"的新窗口：通过仿生设计将天然多糖(HPMC)与纳米纤维素(TCNCs)、二维材料(MXene)有机融合，不仅解决了MXene易堆叠的科学难题，更创造出兼具环境友好特性和多重传感功能的智能水凝胶。这种材料能像"电子皮肤"般实时监测人体运动轨迹，其构建的深度学习手写识别系统更展现了在人机交互领域的巨大潜力，为下一代柔性电子设备提供了革命性解决方案。