柔性压力和应变传感器（PSS）因其信号采集方便、响应速度快，在可穿戴生物医学设备、人体运动监测及健康检测等领域展现出巨大的应用潜力，已成为研究热点。水凝胶凭借其独特的三维网络结构和优异的电导率，成为柔性PSS设备中具有极大前景的软传感材料。水凝胶是通过将亲水性高分子与水混合，利用聚合物交联形成化学、物理或混合交联网络制备而成。过去，已有多种水凝胶成功合成并应用于柔性电子产品的开发中，其中包括PVA、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺等高分子水凝胶，以及天然高分子水凝胶如纤维素、壳聚糖、胶原蛋白和海藻酸盐等。为了进一步提升水凝胶的电导率，通常通过将导电材料（如聚苯胺、聚吡咯、石墨烯及其衍生物、碳纳米管和金属纳米粒子）加入其网络结构中，这是一种简单有效的方式。然而，导电材料与水凝胶之间的相分离现象常常导致水凝胶的机械强度较低，从而影响其性能。机械强度不足的柔性水凝胶基电子产品往往表现为检测灵敏度差、检测范围小以及机械耐久性不足等问题，这些问题限制了其在实际应用中的推广。

  PVA/硼砂水凝胶作为一种亲水性高分子，能够通过氢键或化学键形成独特的三维网络结构。得益于硼酸酯键的动态可逆性，这种水凝胶展现出优异的柔韧性、可塑性、可拉伸性和自修复能力。更为重要的是，适量纳米材料的引入可以有效地耗散能量，从而显著提高水凝胶的机械强度。此外，随着生物医学应用朝着环保和可持续发展方向推进，基于生物质材料的生物相容性PSS技术在生物医学领域受到了广泛关注。因此，开发一种新型的导电且可拉伸的水凝胶，以制造高性能的柔性电子产品，依然是一项具有挑战性的任务。

  福建理工大学陈汀杰&华南农业大学杨宇&香港城市大学孙嘉绩（Jiaji Sun）团队合作，采用简便有效的物理球磨方法，成功制备了一种具有导电性和生物相容性的植物纤维与碳纳米管（CNT）修饰的聚乙烯醇（PVA/PF@CNT）水凝胶，并展示了其在柔性PSS中的应用。为了提高水凝胶的拉伸性能，研究人员通过物理球磨将具有较大比表面积、固有极化表面以及优异机械性能的环保植物纤维引入并分散在PVA溶液中。随后，将具有优异电导性、大长径比以及丰富表面功能基团（如–OH）的CNTs添加到PVA/PF复合材料中，以促进水凝胶体系中氢键的形成。经过物理球磨处理后，CNTs在PVA/PF复合材料中均匀分散，使得PVA/PF@CNT水凝胶的电导性显著提升，同时保持了良好的机械性能。所制备的PVA/PF@CNT水凝胶展现出卓越的拉伸性能（最大拉伸应变可达4200%）、塑性、自修复能力及良好的电导性（2.8×10?3 S m?1），可作为柔性材料用于电容式应变传感器（CPSS）的组装。更有趣的是，研究人员在PVA/PF@CNT水凝胶中添加了一定量的可膨胀聚合物微球，经过高温干燥处理后，水凝胶能够发泡成具有可压缩回弹性的多孔PVA/PF@CNT海绵。该海绵表现出良好的电导性（2.21×10?? S m?1）、优异的可压缩回弹性（压缩应变可达80%）以及出色的循环稳定性，可被组装成压阻式压力传感器（PRPS）。基于PVA/PF@CNT的双模传感器展示了机械负载与电信号之间的良好同步性，具有较高灵敏度（CPSS为1.27，PRPS为0.89 kPa?1）、良好的稳定性和耐用性，能够精确收集人体生理信号，在可穿戴电子产品和人机交互领域展现出巨大的应用潜力。

图1. PVA/PF@CNT水凝胶及多孔海绵的制备流程

图2 PVA/PF@CNT水凝胶的表征及相互作用机理

图3 PVA/PF@CNT水凝胶的拉伸性能和粘附性能

图4 PVA/PF@CNT水凝胶的导电性能

图5 PVA/PF@CNT水凝胶的传感性能

图6 基于PVA/PF@CNT水凝胶的柔性传感器检测

图7 PVA/PF@CNT多孔海绵的性能

  文献链接：Polyvinyl alcohol modified plant fiber hydrogel pressure and strain dual-model sensors for biomedical signal detection. Advanced Composites and Hybrid Materials. 2025. 8, 214.

  https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-01165-1