武汉纺织大学罗磊等·Carbohydr.Polym.·可穿戴传感器·电子皮肤·人机交互·极地/航天监测·抗冻
可持续MXene基可穿戴传感器：微晶纤维素增强抗冻水凝胶用于亚零度环境的人体运动监测与机器学习集成为破解柔性传感器在亚零度环境下的力学脆弱、信号不稳定与可持续性不足等痛点，武汉纺织大学团队构建了以瓜尔胶/甘油/硼砂为基体、微晶纤维素（来自废旧毛巾）增强、Ti₃C₂TₓMXene导电网络协同的混杂水凝胶应变传感体系。该体系在—56℃仍具优良柔韧性与导电性（拉伸强度约269 kPa，应变达580%，电导率约1.49 mS/cm），并表现出自愈合、自粘附与600次循环稳定性；结合支持向量分类器（SVC）对关节运动信号进行应力判别，实现约91% 的准确率与95% 的F1分数。该性能源于：甘油抑冰/增塑与硼酸酯动态键提供的抗冻韧化与网络重构能力；高羧基密度微晶纤维素与MXene/多羟基骨架之间的强界面作用构建连续导电与应力传递通道；多尺度孔结构促进离子/载流子传输与能量耗散。此外，水体环境下25天近完全降解，HUVEC细胞存活率≥79%，体现出环境友好与生物相容性。该工作为极端环境可穿戴电子提供了绿色材料方案。相关论文以“Sustainable MXene-based wearable sensor reinforced with microcrystalline cellulose for human motion monitoring in subzero environments with integrated machine learning”为题，发表在“Carbohydrate Polymers”上。技术路线图（部分）如下：研究动机：极寒环境（如极地科考、深海/高空作业）对可穿戴应变传感提出低温柔性、信号稳定与生态可持续的多重要求。前人瓶颈：传统高分子/金属复合在低温下热收缩与脆裂显著，导电网络断裂导致信号漂移；抗冻常依赖合成聚合物与高盐/有机溶剂，兼顾生物安全与可降解性困难。解决方案：以生物基瓜尔胶为基体，利用甘油‑水抗冻体系与硼砂动态交联引入自愈/自粘附；从废旧毛巾提取并APS氧化的高羧基微晶纤维素增强网络韧性与界面作用；Ti₃C₂TₓMXene构建连续导电通道，协同实现低温稳定应变感知与绿色可降解。关键问题回应：如何在亚零度下兼顾柔韧性、导电性、循环稳定、自愈自粘与环境可降解；并以机器学习实现运动模式智能识别。图1 中文图注：GGBCM 制备流程示意图。原料：废旧毛巾获得的 SBNF，经 APS 氧化得到 MCC；MAX（Ti3AlC2）经 LiF–HCl 刻蚀制得 Ti3C2Tₓ（MXene）；与 GG、甘油、硼砂混合，超声分散、磁搅拌与成型得到混杂水凝胶。图2 中文图注：（A）SBNF 与各 MCC 的 FT‑IR 光谱；（B）MCC‑4 的 SEM；（C）MCC‑4 的长度与直径分布；（D）水凝胶的力学性质；（E）水凝胶的电学性质；（F）GGB 的 SEM；（G）GGBCM‑6 的 SEM；（H）GGBCM‑6 的 EDS 映射；（I）MXene、GGB 与 GGBCM‑6 的 FT‑IR 光谱；（J）MXene、SBNF、MCC‑4、GGB 与 GGBCM‑6 的 XRD 图谱；（K）GGB 与 GGBCM‑6 的 TGA；（L）GGBCM‑6 的保水能力。图3 中文图注：（A）冻结温度与样品（GGBCM‑6）温度；（B）与文献对比的冻结温度；（C）GGBCM‑6 在亚零度下弯折/扭转的红外热像；（D）水凝胶成网与抗冻机理示意；（E）GGBCM‑6 与 GGBC 的时间‑温度曲线；（F）GGBCM‑6 从低温恢复至室温的红外热像序列。图4 中文图注：（A）自愈合展示；（B）与不同基底的自粘附数码照片；（C）粘附强度测试装置；（D）不同基底上的粘附强度；（E）自粘附机理示意（硼酸酯可逆键与氢键协同）。图5 中文图注：相对电阻变化（ΔR/R₀）用于应变与人体运动感知：（A）0–582% 应变响应；（B）3%–12% 阶跃应变分辨；（C）45% 应变下 600 次循环稳定性；（D）手指；（E）手腕；（F）肘部；（G）颈部运动的实时信号；（H）应力判别 SVC 模型的分类指标；（I）混淆矩阵热图；（J）ROC 曲线。图6 中文图注：（A）HUVEC 在 GGBCM‑6 条件下的显微图；（B）24 h、48 h、72 h 的细胞活力；（C）池水中降解过程示意与照片；（D）降解 14 d 的 SEM；（E）相应 EDS 映射；（F）降解 14 d 的 FT‑IR 光谱变化。提出“废旧纤维素资源→功能微晶纤维素→抗冻导电水凝胶”闭环路径，实现材料可持续与高性能并重。甘油‑水‑硼砂的双重作用（抑冰/增塑 + 动态硼酸酯键）赋予低温柔性与自愈合/自粘附的协同。以Ti₃C₂TₓMXene构建可重构导电网络，耦合高羧基微晶纤维素‑多羟基骨架的强界面氢键/静电作用，提升灵敏度与耐久。引入SVC对人体关节运动信号进行模式识别，打通“材料‑器件‑智能算法”的一体化链条。材料原料：瓜尔胶、甘油、硼砂、Ti₃AlC₂（制MXene）、LiF/HCl（刻蚀）、废旧毛巾纤维素（APS氧化得微晶纤维素）等。合成策略：MXene刻蚀/剥离（LiF‑HCl），APS氧化纤维素制高羧基MCC；混配瓜尔胶‑甘油‑水溶液并引入硼砂二次网络，模具成胶。合成机理关键词：硼酸酯动态交联·氢键网络·表面终端（–OH/–O/–F）相互作用·层间插层/滑移·导电通路重构。材料性能优势：拉伸强度≈269 kPa，应变≈580%，电导率≈1.49 mS/cm，—-56℃柔性稳定，自愈/自粘，600次循环稳定，GF≈1.66。应用领域简写：柔性电子（FE）·电子皮肤（e‑skin）·低温可穿戴传感（WMS）·极地/航天环境监测（AE）。主要性能：宽应变区间与稳定灵敏度、极低温柔性、循环耐久与信号一致性。性能支撑：甘油抑冰与增塑维持链段活动与离子导通；MXene构建连续可重构导电网络；硼酸酯动态键实现断裂后快速重联。结构/原料赋能：高羧基MCC‑瓜尔胶‑MXene的多重氢键/静电耦合；插层扩大层距促应变适配；多尺度孔结构提高传输与能量耗散。机理支撑：动态硼酸酯键与氢键网络的可逆重构；MXene高热导辅助快速热恢复。综合特性：抗冻（—56℃）·高延展（≈580%）·导电稳定（≈1.49 mS/cm）·循环耐久（≈600次）·可自愈/自粘·可降解。典型应用：手指/腕/肘/颈部等关节运动监测与姿态识别；极地科考与航天活动的人体工效学与安全监测。具体指标：GF≈1.66；SVC分类准确率≈91%，F1≈95%；水体降解≈25天；HUVEC存活率≥79%。核心贡献：面向极寒环境的生物基抗冻导电水凝胶方案，贯通资源循环、材料设计、器件性能与智能感知。科学/工程意义：阐明“抑冰‑动态交联‑层状导电网络‑界面耦合”协同对低温应变感知与耐久性的支撑机理；为绿色可穿戴电子提供可复制范式。潜在拓展：医疗康复与人机交互、机器人触觉、寒区基础设施健康监测与能源系统运维等。- 种类：抗冻水凝胶·导电水凝胶·自愈水凝胶·自粘附水凝胶
2. 机理：动态共价化学（硼酸酯）·氢键网络·层间插层·纳米复合·界面耦合3. 性能：高延展·导电·应变传感·循环稳定·抗低温·自愈合·自粘附·可降解·生物相容性4. 应用：可穿戴传感器·电子皮肤·人机交互·极地/航天监测通讯作者：Lei Luo；Ruquan Zhang研究单位（中文）：武汉纺织大学新型纺织材料与先进加工国家重点实验室纺织科学与工程学院；BGMEA时装与技术大学（孟加拉·达卡）；立陶宛克莱佩达大学；孟加拉国纺织大学；毛拉纳·巴桑尼科技大学DOI：10.1016/j.carbpol.2025.124872本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，严格遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
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