仿生机械训练诱导自增强型PVA/CMC/MXene复合水凝胶在可穿戴电子器件中的应用研究

本文推荐一种通过机械训练模拟肌肉生长机制的新型自增强导电水凝胶。该研究以聚乙烯醇(PVA)为基质，羧甲基纤维素(CMC)抑制MXene自堆叠，经机械训练后拉伸强度提升至1356.1 kPa（增强4.4倍），导电率达679.6 mS/m，成功应用于人体运动监测传感器，为柔性电子器件开发提供新思路。

　　

Highlight

受骨骼肌通过机械训练实现纤维周期性解组重建的生物特性启发，本研究提出机械训练增强策略制备自增强导电复合水凝胶。以富含纳米晶域的PVA为基质，MXene作为导电介质实现679.6 mS/m高导电率，CMC的引入不仅防止MXene自堆叠，还通过氢键相互作用和链缠结密度增强力学性能。

材料与方法

PVA 1797（醇解度96.0-98.0%）、CMC（分子量25万）和Ti₃C₂T_x MXene购自商业渠道。将0.20 g多层Ti₃C₂T_x分散于50 mL去离子水中制备MXene溶液。

复合水凝胶制备与结构表征

通过PVA/CMC/MXene前驱体溶液多次冻融循环制备仿生复合水凝胶（图1a）。PVA的丰富羟基与MXene、CMC形成多重氢键网络，MXene的二维结构赋予导电性，CMC长链有效扩大MXene层间距。

机械训练诱导增强机制

在预拉伸过程中，PVA链的纳米晶域重新排列为高度有序结构，相邻纳米晶域平均距离缩短使截面密度增加，最终使拉伸强度达1356.1 kPa、韧性达2962.2 kJ/m³，分别为初始样品的4.4倍和6.4倍。

结论

该工作通过模拟骨骼肌行为开发出机械训练诱导自增强水凝胶，CMC抑制MXene堆叠保障导电性，机械训练显著提升力学性能，在可穿戴电子领域展现出应用潜力。