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  用于人體生命體征實時監(jiān)測的柔性電子設備因其在早期健康評估、疾病預防和精準醫(yī)療方面的潛在應用而備受關注。具有三維（3D）網絡的導電水凝膠具有優(yōu)異的柔韌性和高度可調的物化性質，使其成為制造柔性傳感器的理想材料。但現(xiàn)有導電水凝膠常面臨力學強度、抗疲勞性與導電性難以兼顧的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)生物質材料（如木材）雖能增強力學性能，但其致密結構限制了聚合物的滲透，且各向異性導致壓縮回彈性不足。絲瓜海綿（LS）作為一種天然多孔生物質材料，具有獨特的三維層級網絡結構，其高纖維素含量（60%）和豐富的羥基基團為聚合物結合提供活性位點。同時LS骨架固有的微納多孔結構為離子的高效傳輸提供了多尺度通道，這些特性使LS成為制備高性能水凝膠傳感器的理想骨架模板。

圖1 WLSHG水凝膠的設計策略及應用場景

  近日，安徽農業(yè)大學的陳玉霞教授、馬超副教授團隊采用簡單溫和的自由基聚合方法構建了一種基于天然絲瓜海綿的高機械強度、高離子電導率和多功能的水凝膠柔性傳感器 (WLSHG)。通過對LS進行脫木素處理，釋放了纖維之間的緊密連接，保留了原有三維骨架的宏觀形態(tài)和柔韌性。隨后，協(xié)同單寧酸（TA）-Fe3?的自催化體系和H₂O/EG溶劑體系，在LS纖維骨架上實現(xiàn)了丙烯酰胺的原位聚合（PAM），形成聚合物包裹LS纖維骨架的獨特復合結構。得益于LS天然的強韌三維骨架結構以及分子間的多重相互作用，WLSHG水凝膠表現(xiàn)出卓越的機械強度和結構穩(wěn)定性，可承受超過1000次的大形變循環(huán)測試。同時，體系中Fe3?作為導電介質，結合LS骨架固有的微納多孔結構所構建的多尺度離子傳輸通道，使水凝膠獲得了優(yōu)異的離子電導率（0.124 S m^-1）和壓力傳感靈敏度（2.03 kPa^-1）�；谶@些特性，進一步將WLSHG水凝膠傳感器與物聯(lián)網技術及機器學習算法相結合，成功實現(xiàn)了對人體靜態(tài)坐姿和動態(tài)步態(tài)的高精度識別，展現(xiàn)了其在多場景生命體征監(jiān)測中的應用潛力。相關工作以“Multifunctional Luffa Sponge Hydrogel with High Mechanical Strength, Fatigue Resistance, and Ionic Conductivity for Monitoring Human Vital Signs”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為安徽農業(yè)大學材料與化學學院馬超副教授、陳玉霞教授和郭勇教授，共同第一作者為安徽農業(yè)大學碩士生曹浦森、博士后魏潔和碩士生張婷婷。

圖2 WLSHG水凝膠的表征

  WLSHG水凝膠的制備主要包括三個步驟：LS的預處理、TA-Fe³⁺絡合物的合成和水凝膠的形成。采用亞氯酸鈉（NaClO₂）對LS進行預處理，去除木質素和部分雜質，放松纖維素纖維之間的連接，打開內部孔隙結構。進一步借助TA-Fe³⁺動態(tài)氧化還原系統(tǒng)，激活過硫酸鹽并促進自由基的產生，使丙烯酰胺產生自由基聚合。

圖3 WLSHG水凝膠的機械性能

  WLSHG水凝膠的壓縮強度高達0.46 MPa（較純PAM水凝膠提升557%），壓縮模量提升2000%。循環(huán)壓縮測試顯示其具備較高的疲勞穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后應力保留83%）。這主要是由于LS骨架通過多級孔結構和氫鍵/金屬配位作用分散應力，協(xié)同增強水凝膠的力學性能，并在壓縮過程中通過可逆鍵斷裂與重組實現(xiàn)高抗疲勞性。

圖4 WLSHG水凝膠的傳感性能

  LS骨架纖維上豐富的羥基在水中很容易解離，使其表面帶有天然的負電荷。這一特性使帶正電的離子相互吸引和定向運動成為可能。此外，LS天然的分層多孔結構構建了高效的離子傳輸通道。在壓縮過程中，LS纖維素骨架能更好地抵抗結構變形，從而保持離子遷移通道的穩(wěn)定性。WLSHG水凝膠傳感器器能夠準確可靠地檢測從小應力到大應力的壓縮應力變化，在10 kPa的外力作用下，WLSHG傳感器的響應時間和恢復時間分別為390 ms和560 ms，表明其快速響應能力適合監(jiān)測大振幅人體運動信號。同時，在40%應變下，即使經過1000次壓縮循環(huán)，WLSHG水凝膠也能保持穩(wěn)定和可重復的電信號，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。

圖5 WLSHG水凝膠傳感器應用于動態(tài)步態(tài)識別與機器學習

  基于這些特性，進一步將WLSHG水凝膠傳感器與物聯(lián)網技術及機器學習算法相結合，成功實現(xiàn)了對人體靜態(tài)坐姿和動態(tài)步態(tài)的高精度識別，展現(xiàn)了其在多場景生命體征監(jiān)測中的應用潛力。這一研究為高性能生物質基水凝膠傳感器的開發(fā)和在家居領域的實際應用提供了一種新穎有效的方法。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202501131