可穿戴健康监测、柔性电子皮肤与脑机接口等新兴技术，正在重新定义人体与机器、人体与环境的交互方式，而这些技术的共同基石之一，是能够柔软贴合生物组织、把生理或运动信号转化为电信号的柔性传感材料。水凝胶因其含水量高、与生物组织的力学与理化性质高度相近，具备优异的生物相容性和柔韧性，被视为构建下一代柔性传感器、智能穿戴设备与生物电极界面的理想材料。
然而，传统水凝胶传感器在实际应用中存在两个致命短板。其一，传统单网络水凝胶机械强度弱、耐疲劳性差，在剧烈运动或反复拉伸下容易失效，难以支撑持续的生理信号采集。为此，研究者常将物理交联网络（如聚乙烯醇 PVA）与化学交联网络（如聚丙烯酰胺 PAAm）互穿，构筑双网络水凝胶，借助应力在不同网络间的均匀耗散来显著提升力学稳定性。但双网络的构筑本身长期面临一个难题：物理交联（如低温冻融）与化学交联（如紫外光引发聚合）的制备条件相互干扰，过程繁琐冗长，难以在简单、低成本的条件下实现两套网络的均匀互穿。其二，水凝胶内部大量水分以弱氢键连接的“自由水”形式存在，这一部分水在高温下易蒸发、低温下易结晶，导致传感器在水下、低温等环境中性能急剧退化，限制了水凝胶柔性传感器在脑机接口、智能穿戴等复杂场景下的可靠运行。
核心发现
近日，复旦大学生物医学工程与技术创新学院副院长张荣君教授团队受霍夫迈斯特（Hofmeister）效应启发，提出了一种“先松后紧”的氢键分步调控策略，制备出兼具高力学强度、高离子电导率和优异抗冻保水性能的双网络水凝胶传感器 PPPM-E，为柔性传感、智能穿戴及脑机接口等应用提供了新的材料平台。相关成果以《A Dual-Network Hydrogel Sensor via Stepwise Hydrogen-Bond Modulation for Sensing in Underwater and Sub-Zero Environments》为题，发表于Soft Science期刊。
研究团队针对现有水凝胶传感器存在的问题，提出了一种分步氢键调控策略，以聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（PAAm）为双网络骨架，引入导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）与氯化镁（MgCl2）协同提升导电性，再经柠檬酸钠（Na3Ct）水/甘油溶液强化处理。分步氢键调控策略具体为：首先利用MgCl2的“盐溶”（salting-in）效应削弱定向冷冻PVA链间氢键，将高分子网络“撑开”，使AAm单体充分渗透，原位聚合后形成均匀互穿的第二重网络；随后在含有Na3Ct的水/甘油溶液中浸泡，利用其“盐析”（salting-out）效应挤出链间水分、重新强化PVA链间氢键交联，同时甘油通过溶剂交换将不稳定的“自由水”转化为更稳定的“结合水”。这一策略不仅避免了不同交联步骤之间的相互干扰，还以简单、低成本的方式实现了双网络的高效构建。
通过这一策略制备的增强型PVA/PAAm/PEDOT:PSS/MgCl2水凝胶（PPPM-E）表现出优异的综合性能。在力学性能上，其极限断裂应力达618 kPa（对应应变432%），循环压缩2000次后力-时间曲线仍保持稳定；在导电性能上，导电聚合物PEDOT:PSS与离子盐MgCl2的协同作用使离子电导率提升至6.51 mS·cm-1，优于仅含单一导电组分的对照组；在环境适应性上，PPPM-E在-100℃至10℃范围内无明显的结晶峰，-20℃放置48小时后仍可自由弯曲拉伸，且60℃加热1小时后仍保留78%的质量（对照组PVA仅剩25%）。研究团队进一步利用拉曼光谱对分步氢键调控过程进行了分析：随着MgCl2含量增加，强氢键拉曼峰强度下降、弱氢键拉曼峰强度上升，印证了盐溶效应对PVA链间氢键的削弱；而经过盐析强化后，PPPM-E中强氢键拉曼峰占比由51%提升至75%，直观反映了交联的增强，从机制层面验证了该策略的可行性。
在实际应用中，PPPM-E 展现出面向多场景柔性传感与智能穿戴的潜力。得益于与皮肤良好的贴合性，其可稳定捕捉手指在不同弯曲角度、手腕弯曲、膝盖屈伸等人体动作的差异化电信号，为运动监测与康复评估等可穿戴健康场景提供了传感基础。
更进一步，得益于对“自由水”的有效调控，PPPM-E 无需额外封装即可在水下和低温环境稳定工作。研究人员通过快速弯曲（产生三角波）和弯曲保持（产生方波）来模拟摩斯密码中的“点”和“划”，同时开发了配套的阈值检测-归一化-模式匹配解码系统，在模拟测试中成功解码了“FDU”、“HELP”、“SOS”等单词，展示了其在水下环境中进行简易通信的巨大潜力。此外，面向雪山科考等低温低能见度场景，研究团队将PPPM-E贴在防寒手套上，并在-20℃冰箱内进行测试，过程中不同的手指弯曲程度仍能产生清晰可辨的差异化电信号。团队采集了8种常用手势的数据，构建了一个包含8000个样本的数据集，并利用卷积神经网络（CNN） 进行训练，最终在低温手势识别任务中达到99.56%的准确率，为低温场景下的交互提供了可靠方案。
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该工作提出了一种简单高效的分步氢键调控策略，将双网络水凝胶的构筑与内部自由水的调控有机结合，既绕开了不同交联步骤间的相互干扰，又将材料的适用边界拓展至复杂的应用环境中，为柔性传感、智能穿戴及脑机接口柔性界面相关方向的材料创新提供了新思路。
论文信息
复旦大学未来信息创新学院2023级博士生方绍钧和2024级硕士生杨士逸共同担任本文的第一作者，褚君浩教授和张荣君教授共同担任通讯作者。本研究得到国家自然科学基金及复旦大学医工交叉研究平台等项目资助。
文章链接：https://dx.doi.org/10.20517/ss.2026.80
