研究背景
研究内容
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 (Figure 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、微笑和脉搏跳动等小应变生理信号，以及水下多方向运动和利用摩斯密码水下报警等。
Figure 1. 基于 ECM 结构的 TPAMH 纳米纤维水凝胶复合材料的制备
Figure 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（Figure 3）。
Figure 3. TPAMH 的应变传感性能
Figure 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（Figure 5）。
Figure 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（Figure 6）。
Figure 6. TPAMH 在水下运动检测和水下通信中的应用
该研究为人体运动检测、两栖运动传感器等领域提供了一种新的技术途径。相关成果以“Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors”（《由生物组织启发的用于水陆两栖运动传感器的强韧抗溶胀纳米纤维水凝胶复合材料》）为题，发表在英国皇家化学会期刊 Materials Horizons 上。
论文信息
Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors
Zheng Ren, Fang Guo, Yong Wen, Yang Yang, Jinxin Liu and Si Cheng * (程丝，苏州大学)
Mater. Horiz., 2024
https://doi.org/10.1039/D4MH01025F
作者简介
本文第一作者，苏州大学纺织科学与工程专业2022级硕士研究生，导师程丝教授，从事柔性传感器方向的研究。
期刊介绍
rsc.li/materials-horizons
Mater. Horiz.
| 2-年影响因子* | 12.2分 |
| 5-年影响因子* | 12.5分 |
| JCR 分区* | Q1 材料科学-跨学科 Q1 化学-跨学科 |
| CiteScore 分† | 18.9分 |
| 中位一审周期‡ | 38 天 |
Materials Horizons 是材料科学领域的领导性期刊，发表高质量、高创新性的研究成果。该期刊侧重于原创性研究，强调所发表的论文要提出新的概念或新的思维方式（概念上的进展），而不是以报道技术方面的进展为主。当然，在概念上未有创新但实现了突破性进展的杰出工作（例如材料性能突破已有纪录）也有被发表的机会。另外，该刊要求所发表的论文能引起材料科学各领域读者的广泛兴趣。
Martina Stenzel
🇦🇺 新南威尔士大学
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
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