四川大学：研发柔性应变/压力传感器助力个人康复训练和医疗健康监测

研究背景：柔性传感器的机遇与挑战

随着物联网技术的进步，柔性可穿戴电子产品在人体运动监测、工业机器人、仿生设备、康复医疗设备等领域大显身手。在运动医学范畴，每年全球因运动导致的软组织损伤，促使大量膝盖或肘部相关手术开展，术后患者往往需要历经3-6个月的长期康复训练，这给患者带来经济与心理的双重负担。因此，基于个性化医疗的居家个人康复训练和医疗健康监测成为缓解患者负担、优化医疗资源配置的关键策略。

导电水凝胶凭借良好的离子电导性、易于集成以及与生物组织的相似性，成为柔性传感器的理想材料。然而，要开发出兼具高导电性、高灵敏度、高可靠稳定性，且具备抗菌性和生物相容性的水凝胶，并将其应用于多功能、高性能的柔性可穿戴应变/压力传感器，仍是一项极具挑战性的任务。传统导电水凝胶基柔性传感器存在导电性和灵敏度欠佳的问题，难以捕捉人体细微动作，限制了其在个人康复训练和医疗健康监测中的应用。同时，提高水凝胶的导电性和灵敏度面临诸多难题，如导电纳米填料的团聚问题，以及现有提高灵敏度的策略存在制作工艺复杂、成本高昂等弊端。此外，水凝胶在耐久性方面也存在不足，包括机械稳定性和环境耐受性，开发满足要求的水凝胶传感器迫在眉睫。

创新策略：协同增强实现性能突破

为攻克上述难题，该研究工作提出了一种基于孔桥结构和分子拥挤效应的协同策略，制备出PPM@C-DES共晶水凝胶应变/压力传感器，这一策略如下图1所示。该水凝胶以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇 (PVA)为聚合物网络，掺杂自组装的MXene基纳米异质结构，并通过冷冻-解冻循环和溶剂置换法引入分子拥挤剂 (DES)。这种共晶水凝胶呈现出独特的孔桥形态，M@C网络在孔壁上作为导电桥，赋予水凝胶卓越的导电性和传感性能。同时，DES作为分子拥挤剂，增强了水凝胶的机械稳定性和环境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸发。

图1. 基于孔桥结构和分子拥挤效应的协同策略应用于高灵敏度共晶水凝胶应变/压力传感器的示意图，具有优异的电导率、增强的机械稳定性和环境耐受性、近红外诱导的光热抗菌性和出色的传感性能

在制备过程中，先利用LiF/HCl溶液刻蚀Ti₃AlC₂粉末获得MXene纳米片，再通过静电自组装法将其与胺化MWCNT制备成M@C纳米异质结构。接着，将PVA溶解后与导电剂M@C、造孔剂碳酸氢钠混合，经冷冻-解冻循环和HCl去除造孔剂得到具有大孔结构的PPM@C水凝胶，最后将其浸入DES水溶液中，制备出PPM@C-DES共晶水凝胶。通过SEM，XRD，红外等表征手段分析了共晶水凝胶的结构和物相变化，如图2所示。

图2. PPM@C-DES共晶水凝胶的合成过程和内在相互作用

卓越性能：多方面表现出色

PPM@C-DES共晶水凝胶应变/压力传感器在性能上具有多方面优势，在电导率、机械性能、环境耐受性、传感性能以及光热和抗菌性能等表现出色，为其在个人康复训练和医疗健康监测等领域的应用提供了有力支撑。

从机械性能来看，该水凝胶在拉伸、压缩、弯曲、扭转、打结等多种复杂机械载荷下，都能保持形状完整，且去除外部刺激后可完全恢复初始状态。在导电性能方面，M@C构建的导电通路使其能够点亮红色LED，即便水凝胶被切断后重新接触，LED依然能亮起。在环境稳定性上，它在−30 °C下放置24小时仍能保持高柔韧性，在50 °C下长时间放置也能维持较高的残留质量，展现出良好的抗冻和抗干燥性能。

此外，该水凝胶还具有突出的光热和抗菌性能。基于MXene的局域表面等离子体共振 (LSPR)效应，它在近红外 (NIR)光照射下具有超高的光热转换效率，能快速升温，对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抗菌效率分别达到99.81%和99.68%，有效防止皮肤接触感染和过敏，为按需光热治疗提供可能，如图3所示。

图3. (a) 使用PPM@C-DES共晶水凝胶作为防止皮肤接触感染/过敏的可穿戴传感器的抗菌机制示意图。(b) 不同水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能，以及相应的抗菌率(c)和抑制区(d)。(e) 近红外辐射 (0.3 W cm−2)下PBS、PVA水凝胶和PPM@C-DES共晶水凝胶的实时红外热图像，以及相应的近红外辐射切换下的温度变化曲线(f)和温度响应。

在传感性能上，PPM@C-DES共晶水凝胶传感器的灵敏度高达4.49，在1%-290%的应变范围内具有良好的线性响应，响应时间仅为131 ms，恢复时间为125 ms。在压力传感方面，它对不同压力也能产生稳定、可靠的电流信号，在1200次压缩循环中表现出出色的稳定性和耐久性，如图4所示。

图4. PPM@C-DES共晶水凝胶应变/压力传感器的传感性能

应用场景：医疗领域前景广阔

PPM@C-DES共晶水凝胶传感器在个人康复训练和医疗健康监测领域具有广泛的应用前景。将其固定在人体不同部位，可精准监测多种运动，如喉咙处能感知声带振动，手指、颈部、手腕、肘部、膝盖等部位的运动也能被准确监测，还可用于记录康复训练过程中的心电图 (ECG)信号。基于其优异的光热性能，该传感器能为手术后遗症（如关节疼痛或关节炎）提供按需光热治疗。经NIR诱导光热治疗后，能有效促进局部血液循环，减轻疼痛和关节僵硬，提升相关运动的传感性能，如图5所示。

图5. 开发的PPM@C-DES共晶水凝胶传感器在个人康复训练中的传感应用，当安装在人体不同关节时输出信号

在信息传递方面，结合机器学习，该传感器可实现高效信息传递和高保真手写识别。通过手指动作按摩尔斯电码传递信息，以及将手写内容转换为独特电信号，借助2D-卷积神经网络 (2D-CNN)，手写识别准确率高达98.46%，为特殊患者与医护人员之间的沟通提供了便利，如图6所示。

图6. PPM@C-DES共晶水凝胶传感器在医疗保健监测中用于通信的适用性

总结与展望：

此项研究成功制备出多功能PPM@C-DES共晶水凝胶应变/压力传感器，有效解决了导电聚合物水凝胶基多功能应变/压力传感器开发中的关键难题。该传感器卓越的综合性能，为未来可穿戴智能设备集成无线传输模块奠定了坚实基础，在个人康复训练和医疗健康监测领域展现出巨大潜力。随着技术的持续进步，有望进一步优化传感器性能，拓展其在更多医疗场景中的应用，为人们的健康福祉贡献更多力量。

审核编辑 黄宇