摘要
水凝胶作为一种高含水量的软湿材料，在仿生皮肤、软骨支架、康复监测、软机器人等众多领域受到了广泛的关注。传统水凝胶传感器具有力学性能差，易滋生细菌等缺陷，难以适用于户外露营、野外探险等恶劣环境。因此，我们迫切的需要一种坚韧、抑菌的导电水凝胶材料，以满足复杂的人体运动监控和日益增长的可穿戴设备的需求。本研究通过一种新颖的方法制备了具有抑菌性、导电性、抗氧化性、粘附性和高灵敏度的可穿戴水凝胶传感器。具体研究内容如下： 第一部分：传统单一的交联水凝胶力学性能差，灵敏度一般，易滋生细菌，不适合运用在柔性可穿戴设备领域。本体系采用双物理交联的方法，以丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）为主体，引入季铵盐壳聚糖（HACC），制备P(AM-co-AA)/HACC水凝胶。然后将其浸泡在Fe3+溶液中，制备出高强度、高韧性的HACC/P(AM-co-AA)-Fe3+离子交联水凝胶。在浸泡过程中，HACC的氨基(-NH2)和共聚物链上丰富的羧基(-COOH)与高价金属Fe3+进行高度配位，形成多重离子交联网络，极大的提高了水凝胶的力学性能（拉伸应力为3MPa，断裂应变为1390%，韧性为24MJ/m3）。游离的季铵盐离子（-NR3+）、Fe3+和Cl-，赋予了水凝胶良好的导电性和灵敏度（电导率为21.6mS/cm，GF=10.27）。季铵盐壳聚糖的引入为水凝胶带来了极强的抑菌性（最高抑菌效率为99.5%）。这项工作为制备具有多重交联网络的新型强韧抑菌导电水凝胶提供了一种有效的策略。 第二部分：本研究同样以丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）为主体，将过渡金属碳化物（MXene）、季铵盐壳聚糖（HACC）和植酸（PA）引入到P(AM-co-AA)水凝胶体系之中，制备了具有优异机械性能、粘附性、抗氧化性和导电性的P(AM-co-AA)/HACC/MXene/PA复合水凝胶。引入的MXene和HACC能够与聚合物分子链形成大量的氢键，从而有效提高水凝胶的力学性能（拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量和断裂韧性分别为1900KPa、3500%、32KPa和32MJ/m3）。同时，HACC的引入还能提高水凝胶的黏附性（最强剥离力为127.51N/m）。另外，复合水凝胶中PA不仅能和MXene通过协同导电作用，有效提高复合水凝胶的导电性和灵敏度（电导率最大为25.1mS/cm，GF=13.41），还能为水凝胶提供优异的抗氧化性。该部分研究为水凝胶在传感器的导电性和抗氧化性领域的应用提供了新的设计思路及理论基础。
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