武汉大学刘兴海Small:生物启发超强韧快速响应水凝胶实现无声通信

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柔性可穿戴电子在健康监测、人机界面和软体机器人等领域展现出变革性潜力。作为关键组成部分，导电水凝胶需要兼顾生物组织的机械顺应性与可靠的电学响应性。然而，传统水凝胶固有的机械强度不足、抗疲劳性差以及大变形下的电学不稳定性，严重制约了其在动态场景中的实际应用。为解决这些问题，研究人员将目光投向淀粉、纤维素和壳聚糖等可再生生物聚合物，其中淀粉基水凝胶因其生物相容性、资源丰富性和环境可持续性而备受关注。尽管如此，天然淀粉的机械脆性以及显著的电信号滞后问题限制了其广泛应用。现有研究通常通过物理共混或引入含邻苯二酚组分来增强动态非共价相互作用，但这些方法往往面临组分迁移、分布不均以及反复大变形下长期机电稳定性差等问题。特别是，现有体系多采用物理混合而非共价键合方式，难以实现分子级均匀分布。因此，开发一种能够通过共价预功能化将邻苯二酚基团均匀引入淀粉主链，并与合成聚合物网络形成半互穿网络的新策略，对于构建高性能、可持续的水凝胶传感器材料具有重要意义。

在这项研究中，研究人员提出了一种分子工程策略，通过EDC/NHS介导的酯化反应将原儿茶酸（PCA）共价接枝到淀粉主链上，进而构建了生物启发的半互穿聚合物网络水凝胶。首先，通过逐步溶剂交换过程获得多孔淀粉以增强链的可及性，然后利用PCA与淀粉的酯化反应引入动态氢键和π-π堆积作用。通过系统优化PCA改性淀粉与聚丙烯酰胺（PAM）的比例，所得水凝胶实现了优异的力学性能，断裂应变达1867%，断裂应力为1.71 MPa，并在1200次600%应变的循环拉伸测试中保持稳定的能量耗散能力。该水凝胶表现出显著的压阻特性，具有宽线性响应范围（0%-1000%）、快速响应与恢复时间（30毫秒/20毫秒）和高灵敏度系数（GF>3）。基于这些特性，研究人员构建了一套无线可穿戴人机交互系统，将手指运动转换为时域电信号，通过蓝牙传输至智能手机进行摩尔斯电码解码。为克服运动噪声和病理性震颤干扰，系统采用基于有限状态机的算法进行自适应信号分割，在10名健康受试者测试中实现了99.2%的字符级识别准确率，为肌萎缩侧索硬化症患者提供了一种低门槛的辅助通信方案。

该研究开发了一种基于淀粉共价修饰的生物启发半互穿聚合物网络水凝胶，通过EDC/NHS介导的酯化策略克服了传统Fischer或Steglich酯化方法在本体系中因空间位阻和反应活性不足导致的效率低下问题。所得水凝胶网络中的可逆π-π相互作用和氢键形成了动态牺牲键，在同时增强机械强度、延展性和抗疲劳性的同时，优化了能量耗散机制，实现了低滞后、高保真度的信号传导。该材料不仅具备优异的力学和电学性能，还展现出良好的环境可靠性，在不同湿度和温度条件下保持稳定的压阻性能。基于该水凝胶构建的无线人机界面系统，利用手指弯曲引起的电阻变化实现摩尔斯电码编码，独立于语音、视觉或肌电信号，为运动障碍患者提供了实用的通信解决方案。这项工作不仅展示了一种高效且化学稳健的生物质聚合物功能化方法，还建立了将动态材料集成到智能电子平台中的设计框架，在个性化医疗和辅助通信领域具有实际应用价值。