近期，东北林业大学团队在《Chemical Engineering Journal 》发表的研究：“ Dual-bactericidal wood-reinforced hydrogel sensor for healthcare monitoring and information transmission”。
研究背景
柔性传感器在可穿戴电子设备、医疗监测等领域应用广泛，水凝胶因优异的机械柔韧性和导电性成为该类传感器的理想材料。木材作为地球上丰富的可再生天然生物质资源，具有独特的层级多孔结构，经脱木质素处理后获得的木质骨架（WS）可作为功能材料的有效生物模板；硫辛酸（LA）作为人体和动物体内天然存在的小分子，凭借其结构中的二硫杂环具有良好抗菌性，且易通过动态二硫键交换实现热引发开环聚合；离子液体则具备高离子导电性和优异电化学稳定性，常被用于构建高性能离子水凝胶，还能与 LA 产生协同抗菌作用，这些特性为开发多功能水凝胶传感器提供了重要基础。传统水凝胶传感器普遍存在机械强度薄弱的问题，限制了其实际应用，且高含水量易滋生细菌，增加皮肤感染风险；LA 基聚合物（PolyLA）因末端反应自由基引发的逆关环解聚而具有亚稳定性，虽可通过引入多双键小分子或高浓度离子稳定，但会显著降低生物相容性；现有木质基和 LA 基水凝胶在导电传感与抗菌性能的综合整合方面存在不足，难以同时满足可穿戴传感器对机械性能、导电性、抗菌性、生物相容性和抗冻性等多方面的需求。本研究将脱木质素后的木质骨架（WS）引入由硫辛酸（LA）、甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和离子液体（VBIMBr/[BMIM] Cl）组成的聚合物网络中，通过原位聚合制备了 WS-LGVB 多功能水凝胶传感器。利用木质骨架的刚性结构增强水凝胶的机械稳定性和强度，借助 LA 与离子液体的协同作用实现高效抗菌，通过氢键和离子 - 偶极相互作用构建稳定的动态网络，提升水凝胶的导电性、离子迁移效率和抗冻性，同时保证材料的生物相容性，从而解决传统水凝胶存在的诸多缺陷。主要性能展示WS-LGVB 水凝胶传感器展现出优异的综合性能：机械方面，纵向和横向拉伸强度分别达 327 kPa 和 68 kPa，保留木质骨架的各向异性和柔韧性，可耐受 - 19℃低温，弯曲、卷曲等变形后无破损；导电与传感性能上，最高导电率为 0.12 S/m，响应时间仅 120 ms，循环稳定性佳，经 600 次弯曲 - 伸直循环后仍能保持稳定的电流 - 应变响应；抗菌性能突出，LA 与离子液体协同破坏细菌细胞膜，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率达 99%；生物相容性良好，与 3T3 细胞共培养 48 h 后细胞存活率超 90%；应用场景广泛，可灵敏监测关节运动、吞咽、皱眉等生理信号，实现呼吸状态监测、手写识别，还能通过莫尔斯电码进行信息传输，适用于康复训练、健康诊断和人机交互等领域。摘要：
水凝胶传感器因其优异的导电性和出色的柔韧性，在可穿戴传感器领域展现出巨大的应用潜力。然而，有限的机械强度和易受细菌感染的特性限制了其在可穿戴传感器领域的应用。在此，我们首次将木材骨架（WS）引入到基于硫辛酸的水凝胶中，并提出了一种硫辛酸/离子液体协同抗菌策略，以获得具有高抗菌性能的多功能水凝胶（WS-LGVB）。基于WS-LGVB的柔性传感器具有可靠的导电性、优异的抗冻性和柔软性，能够灵敏地监测关节运动和呼吸信号，用于康复训练和判断健康状况，还能识别信号强度以进行信号转换。此外，WS-LGVB水凝胶通过利用硫辛酸和离子液体的协同作用，展现出卓越的抗菌活性（达99%），它们通过改变细胞膜通透性和关键特性（包括膜电位、流动性、粘弹性和磷脂排列）来共同抑制细菌生长。同时，WS-LGVB水凝胶具有出色的生物相容性，对人体无害。作为一种智能可穿戴设备，具有优异传感性能和生物活性的WS-LGVB在生物医学和信息传输应用方面显示出巨大的潜力。
图解
方案1.
图1.a) 明胶和甲基丙烯酸酐（MA）发生酰胺化反应合成甲基丙烯酰化明胶（GelMA）。b) 海藻酸钠（LA）、GelMA、1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐（VBIMBr）和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）在加热条件下聚合形成LGVB。c) 通过脱木质素过程，获得无木质素包裹的木材骨架。d) 将水凝胶前驱体浸渍到脱木质素木材中，通过原位聚合合成木材骨架-LGVB（WS - LGVB）。e) WS - LGVB的特性和应用。
图2.a）LGVB水凝胶内部分子相互作用的示意图。b）LGVB、LA、VBIMBr和[BMIM]Cl.之间的FT-IR光谱比较。c）1LGVB、VBIMBr和[BMIM]Cl之间的H NMR光谱比较。d）水凝胶温度变化的FT-IR光谱，范围为25至110°C（间隔：5°C）。e、f）由d生成的2DCOS同步和异步光谱。g）计算功能单体（LA和VBIMBr）的前沿分子轨道、相应能级及静电势（ESP）映射到范德华表面。
图3.NW、WS和WS-LGVB横截面的SEM图像。d） 纤维素、LGVB链、VBIMBr和[BMIM]之间的氢键和离子-偶极相互作用。Cl. e） WS-LGVB、LGVB和NW之间的FT-IR光谱比较。f） NW和WS的XRD光谱。g） WS-LGVB水凝胶（200）散射面的2D-WAXD图案和方位强度。h） WS-LGVB水凝胶与近期LA基水凝胶在L和T方向的机械强度比较分析 。i） WS-LGVB水凝胶沿R方向折叠和卷曲。j） WS-LGVB水凝胶在极端条件下卷曲。
图4.a）电导率和体感测的示意图。b） 不同水平下的WS-LGVB电导率[BMIM]。c） WS-LGVB的反应/恢复率。d） WS-LGVB的循环稳定性。e） WS-LGVB传感特性连续快速和慢折叠的当前响应曲线。f-h）感知可穿戴传感器的饮酒、皱眉和手腕表现。i， j） 水凝胶传感器在极端条件下对人体弯曲动作的灵敏度。
图5.a） 摩尔斯电码换算表。b）应变传感器输出信号，对应摩尔斯电码，信息传输应用的示意图。c-e） WS-LGVB传感器输出信号，包含阿拉伯数字和英文字母。f、g）表示“SOS”和“1314”短语的摩尔斯电码信号。h） 代表“Hydrogel”一词的摩尔斯电码信号。
图6.a， b） 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌与水凝胶共育12、24、48小时后的存活率。c） 显示金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在琼脂板上与水凝胶共培养12和24小时后菌落生长的数字图像。d） 与水凝胶共育12、24小时后，3个T3的存活率。 48小时。e） 3T3与水凝胶共培养的活死染色，分别为12小时和24小时。
结论：
总之，我们展示了一款多功能水凝胶传感器，通过将WS引入LA基水凝胶网络制造，展现出增强的机械强度、改进的电导率以及强强的抗菌特性，用于健康监测和信息通信。高强度木质骨架有效提升了水凝胶的结构稳定性和机械强度。与此同时，具有稳定导电性、卓越抗霜冻性和柔软性的WS-LGVB水凝胶可组装成多功能传感器，以敏感监测人体运动信号和呼吸状态变化，用于康复培训和呼吸疾病诊断，并识别和转换信号以传递信息。此外，LA和ILs表现出的协同抗菌效果显著增强了WS-LGVB水凝胶的抗菌特性，使其更适合用于可穿戴传感器。本研究为具有卓越抗菌能力的导电水凝胶传感器开发提供了新颖见解，展示了在个人健康诊断、康复培训和信息传递方面的巨大潜力。
DOI: 10.1016/j.cej.2025.172391
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