在极端环境里，柔性传感器这类新兴科技能大大拓展人类感知信息的边界，成为守护安全的 “科技护盾”。而柔性传感器中，水凝胶传感器凭借其出色的柔韧性、可调制的物化性能和稳定的生物兼容性，能够可靠地将外界的拉伸、压力、温度等变化转换为可被探测的信号，从而实现运动监测、人机交互等多种有效的应用。然而，常规的水凝胶传感器在面临极端环境带来的高温、高盐、极寒等恶劣条件时，由于其内部大量可脱出的“自由水”和稀疏的聚合物链交联，往往会发生脱水、断裂等问题，从而导致其性能的下降和失效。
为了匹配极端环境使用需求，水凝胶传感器往往需要同时兼具传感性能、环境耐受性和生物相容性；而例如高浓度盐溶液强化等策略往往会在单一指标提升（如机械强度）的同时，引入新的干扰因素（如高浓度离子带来的高渗透压），造成其它性能（如生物相容性）的下降。因此，如何在保证综合性能不受到损害的前提下，实现对水凝胶性能的高效调制增强，是当前研究亟需解决的问题。
复旦大学未来信息创新学院张荣君教授团队和复旦大学附属口腔医院韦晓玲主任团队研发成功用于极端环境和多维感知的水凝胶传感器。近日，相关研究成果以“Bamboo-Basket-Inspired Stepwise Modulated Hydrogel for Multifunctional and Extreme-Environment Sensing”为题发表于国际期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
团队在研究中发现，竹篮具备非常出色的功能性，而这种功能性不仅来自于竹条自身的多组分集成，也来自于竹篮独特的编织过程——先将杂乱的竹条分散，挑选编织成一个基本的框架，再将竹条缠绕在框架上，极其高效地构建了均匀、致密交联的竹篮，避免了由于局部竹条不均匀缠绕带来的性能下降。受此启发，团队提出了一种水凝胶调制策略，就是将聚乙烯醇（PVA）、氧化羧甲基纤维素钠（OCMC-Na）和明胶（Gel）多组分构成的水凝胶中每个细小的微区视为“竹条”，先通过MgCl2的盐溶效应削弱氢键，将“竹条”分散；再利用定向冷冻构建稀疏交联的“框架”；最后通过Na3C6H5O7的盐析效应将框架缠绕形成“竹篮”般均匀、致密交联的PCG-x水凝胶。
图1 （a）传统定向冷冻构建策略存在的问题示意图；（b）“竹篮”启发的构建策略示意图
得益于高效的调制效率，该策略允许在生物相容的低离子盐浓度下实现水凝胶的性能提升，从而完美匹配极端环境下的使用需求。在该策略下，制备的PCG-0.5水凝胶在739%应变下展现出4.9 MPa的机械强度，能够识别应变、压力和温度的变化，并且能够在60 ℃的高温、-75 ℃的超低温以及海水环境下实现有效的应变传感；同时，实验表明在生物体内植入4周后依旧展现出优异的相容性。研究基于CNN模型构建了传感信号的快速识别系统，并结合光谱和理论计算深度阐明了逐步氢键调制的详细机制。
图2 （a）极寒环境手势交流示意图；（b）极寒环境模拟测试示意图；（c）基于CNN模型的信号处理过程
图3 “竹篮”启发水凝胶的综合性能以及潜在应用示意图
该团队基于水凝胶传感器极端环境不耐受、改性策略无法兼顾综合性能的局限性，从竹篮编织的过程获得启发，提出了一种与竹篮编织类似的逐步氢键调制策略，高效实现了水凝胶传感性能、环境耐受性和生物相容性的综合增强。研究基于光谱手段对其氢键调制的机制进行了详细的分析论述，为相关水凝胶的性能调控提供了全新的思路和充分的理论基础；得益于简单的制备策略和出色的综合性能，研究亦有利于水凝胶传感器走向进一步的体内/体外监测、人机交互等诸多领域的广泛应用。
复旦大学未来信息创新学院2023级博士生方绍钧和复旦大学附属口腔医院周强强医生共同担任文章第一作者，张荣君教授和韦晓玲主任共同担任通讯作者。
