自粘性ILn@MXene水凝胶分散佳，可用于人机交互等多领域

自粘性ILn@MXene多功能水凝胶分散性优，可用于人机交互、电容器、抗菌及检测人畜生理电信号

研究内容

MXene在水凝胶中分散性差会降低柔性传感器灵敏度和循环稳定性。本研究中，我们用不同链长（C=4、8、12、16、18）的离子液体调控MXene层间距，发现链长C=16的ILn插层时层间距变化最显著，可抑制MXene自堆叠与团聚。基于此，开发了含聚丙烯酸网络和聚多巴胺包覆二氧化硅的A-PS-0.06I16@M水凝胶，其高度可拉伸、粘附性强且导电，机械性能优异，拉伸率达1903%、弹性模量20 kPa、韧性806 kJ·m⁻³，电导率14.8 mS·cm⁻¹、灵敏度高（GF=7.64），在监测人体运动信号、心电图、肌电图和大鼠电信号方面效果显著。此外，该水凝胶在808 nm近红外光照射下的人机界面、电容器及抗菌方面潜力巨大，在柔性电子、传感器和生物医学工程领域应用前景广阔。

创新点：

MXene分散：首用不同碳链长度（C4 - C18）离子液体调控MXene层间距，C16效果最佳，层间距扩大47%，抑制自堆叠，电导率提升8倍至14.8 mS cm⁻¹，团聚率降90%。

结构设计：构建四元协同水凝胶，集成聚丙烯酸网络、聚多巴胺包覆SiO₂、IL₁₆@MXene等，韧性达806 kJ·m⁻³，弹性模量20 kPa。

传感性能：应变传感GF值7.64（0 - 500%应变），压力传感灵敏度32.1 kPa⁻¹；可全生理信号捕获，心电/肌电信噪比>40 dB，大鼠神经信号精度5 μV；循环稳定性好，10,000次拉伸后电阻漂移<3%。

智能应用：808 nm光照下，手势识别准确率>98%，响应时间0.2 s，可无线控制机械手抓取（传输距离>10 m）；近红外照射5分钟灭菌率99.7%；微型电容器面积比电容812 mF cm⁻²，功率密度4.2 mW cm⁻²。

性能对比：与传统MXene水凝胶比，A - PS - 0.06I₁₆@M电导率690%，应变范围138%，应变灵敏度264%，生物信号分辨率精度10倍，光响应速度2500%。

该工作借离子液体链长工程解决MXene分散难题，结合四元仿生设计，打造高性能智能水凝胶平台，为可穿戴医疗诊断、光控人机交互及植入式抗菌器件提供一体化方案。

研究背景

柔性可穿戴传感器可实时监测生理信号，应用前景广，需具高导电性等特性。传统刚性材料传感器因硬脆难贴合人体，阻碍信号监测。水凝胶因柔韧性、生物相容性和机械性能佳，成为制备柔性传感器与生物电极的理想材料。虽导电材料与水凝胶结合开发传感器有进展，但多数导电填料疏水易团聚，分布不均影响性能。如Luo等和Wang等分别通过不同方法改善传感器性能。

MXene作为新型二维材料，因高导电性等优势受关注，其纳米片滑动赋予水凝胶高灵敏度和宽传感范围。已有多种功能化水凝胶被开发，但MXene易沉淀和氧化，影响水凝胶长期稳定性，且改善其层间距的离子预插层方法存在安全性问题。

离子液体由有机阳离子和有机/无机阴离子组成，是二维材料的优异插层剂，可嵌入材料层间提升性能，还能与无机纳米填料相互作用减缓MXene氧化。如Liang等、Zhang等分别通过离子液体插层提升材料性能。

本研究为解决MXene分散性差及团聚问题，引入不同烷基链长的离子液体调控其层间距，发现链长C=16的IL效果显著。基于此，提出将离子液体插层改性的MXene（I16@M）与聚丙烯酸（PAA）网络结合，以聚多巴胺包覆二氧化硅（PS）作为粘附材料的新策略，成功制备出高拉伸、强粘附、导电的A-PS-0.06I16@M水凝胶。该水凝胶机械性能优异，电导率和灵敏度高，粘附性能好，电化学性能显著提升，还有优异光热抗菌性能，在柔性电子、传感器及生物医学工程领域应用前景广阔。

研究结果

图1.A-PS-I@M水凝胶示意图及应用（涵盖肌肉检测、心电图、胃肠电信号、电容器、人机交互及光热抗菌领域）

图2.水凝胶合成与表征：a)PDA@SiO₂合成示意图；b)MXene及ILn@MXene合成示意图；c)二氧化硅、PDA、PDA@SiO₂的FTIR光谱；d-e)分别展示二氧化硅与PDA@SiO₂的SEM图像；f)MXene的XPS光谱；g)C 1s、Ti 2p等元素的XPS光谱；h)MXene中Al、O等元素的EDS图谱；i)不同烷基链长离子液体插层MXene与MXene的XRD图谱；j)对应FTIR图谱；k)MXene、IL16及IL16@MXene的FTIR图谱；l-m)分别展示MXene与IL16@MXene的SEM图像。

图3展示不同链长离子液体（IL）在MXene上的吸附行为。a)计算MXene与不同IL阳离子及水的吸附能。优化模型含：b)MXene与不同IL阳离子，c)-g)分别为[C4MIM]至[C18MIM]；h-i)呈现溶液中MXene与IL有无时相互作用的示意图。

图4展示水凝胶的机械、粘附及生物相容性能。a)不同链长离子液体插层MXene后的机械性能；b)不同I16@M含量的水凝胶；c)-e)A-PS-0.06I16@M水凝胶在不同应变下的循环拉伸应力-应变表现（含100%应变下10次循环的应力残余与滞后回弹）；f)水凝胶结与扭曲的照片；g)-h)A-PS-0.06I16@M水凝胶在不同基材上的粘附性能曲线及最大粘附力；i)该水凝胶对塑性材料、玻璃、PTFE、橡胶、龙虾壳、皮肤、肠道、肝脏等基材的粘附性能；j)其粘附机制图。

图5.水凝胶电导率与传感性能：a)连续拉伸应变（0-800%）下相对电阻变化及GF值；b)0%-50%应变循环稳定性测试（1600秒）；c)不同拉伸速度下相对电阻变化；d)A-PS-0.06I16@M水凝胶响应与恢复时间；e)实时电阻测得的该水凝胶自愈合过程时间演变；f-h)小（2%-8%）、中（20%-80%）、大（200%-800%）应变下传感器相对电阻变化；i)LED灯在不同状态（原始、切割、自愈合、50%应变拉伸、愈合过程电路示意图）下亮度变化图像；j)不同文献中A-PS-0.06I16@M水凝胶GF值、电导率、应变、响应时间比较。

图6展示用于监测电生理信号的粘附多功能A-PS-0.06I16@M水凝胶传感器，包括：a)大鼠胃部电信号变化；b)大鼠肠道电信号变化；c)该水凝胶在不同循环次数下监测人类肌电图信号变化；d)猪心脏电信号变化；e)猪肠道电信号变化；f)其电极与商用水凝胶电极测量的心电图对比；g-j)人体颈部、手腕、肘部和膝盖关节感应示意图，插图示关节应变传感器附着情况；k)贴附手指在不同角度弯曲时水凝胶应变传感器的相对电阻变化；l-m)用该水凝胶制成的电容笔书写和绘画。

图7展示水凝胶在电容器、人机界面及光热抗菌中的性能。a) MXene与IL16@MXene水凝胶电解质在100 mV s−1扫描速率下的CV曲线；b) 10至100 mV s−1不同扫描速率下的CV曲线；c) IL16@MXene水凝胶电解质在不同扫描速率下的速率性能；d) MXene与IL16@MXene水凝胶电解质在1 A g−1电流密度下的GCD曲线；e) 1至10 A g−1不同电流密度下的GCD曲线；f) IL16@MXene水凝胶电解质在氯化钠条件下的EIS；g-h) 多通道手势信号识别；i) 用于机械臂交互系统的A-PS-0.06I16@M水凝胶电极；j) PBS缓冲液和A-PS-0.06I16@M在808 nm激光（0.75 W/cm²）照射10分钟对大肠杆菌和MRSA的杀灭效果（比例尺：10微米）。

研究结论

本研究为解决MXene分散性差及在水凝胶基质内大规模团聚导致机械与电化学性能劣化问题，采用不同链长（C=4、8、12、16、18）的离子液体调控MXene层间距。发现链长C=16的离子液体插层时层间距扩展最显著，有效抑制MXene自堆叠与团聚。基于此，开发新策略，将离子液体插层改性的MXene（I16@M）与聚丙烯酸（PAA）网络结合，以聚多巴胺包覆二氧化硅（PDA@SiO₂）为粘附材料，制备出高拉伸性、强粘附且导电的A-PS-0.06I16@M水凝胶。

该水凝胶机械性能优异，拉伸率达1903%，弹性模量20 kPa，韧性806 kJ·m⁻³；电导率14.8 mS·cm⁻¹，灵敏度高（GF=7.64），适用于监测ECG和EMG；在各种材料表面粘附性能优异，猪皮上粘附强度8.3 kPa。以其为电解质的电容器电化学性能显著提升，在HMI应用中潜力巨大，尤其适用于复杂行为多通道连续检测，且在808 nm近红外光照射下对E. coli和MRSA有显著抗菌效果。

总之，A-PS-0.06I16@M水凝胶在柔性电子、传感器技术和生物医学工程领域前景广阔。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110484