基于粘性水凝胶设计的自供电电子皮肤，不仅消除了外部电源的限制，同时免于使用医用胶带，具有非侵入性且易于应用等优点，因此其应用前景极为广泛。然而在实际生活中流汗是不可避免的，尤其是在长时间监测和运动期间，容易在皮肤表面形成具有低剪切粘度的汗膜，这会破坏皮肤和水凝胶电极之间的粘合作用，导致电极从皮肤上脱落和信号的失真传输。因此，将汗液这一可感知的本征缺陷转化为其独一无二的优势极具挑战，且探索汗液的优势转化利用对于粘附水凝胶在柔性可穿戴领域的应用也具有重要意义。
图1 汗液-pH触发高粘性水凝胶的设计
近期，中国林科院林化所刘鹤研究员、王丹研究员和南京林业大学徐徐教授开发了一种聚合物水凝胶电极的设计策略，利用汗液的pH值变化促进质子化的产生和水凝胶氢键网络的解耦，以释放更多游离且活性的亲水基团，达到增强水凝胶粘附性的目的。本研究基于常见丙烯酸单体和生物质资源纳米纤维素制备了具有紧密氢键网络的纳米纤维素/聚丙烯酸水凝胶(CNF/PAA)。在流汗过程中产生的过量水合氢离子可以破坏固有的氢键网络结构，有助于向质子化转变并调节活性基团 (羟基和羧基)的释放。汗液pH值的下降可以促进质子化的形成，赋予CNF/PAA水凝胶优异的粘附性能。在pH为7.5时(对应未运动状态)，水凝胶与皮肤间的界面韧性达46.74 J m−2，剪切强度达69.71 kPa，拉伸粘附强度达53.67 kPa；而在pH为4.5时(对应运动出汗状态)，水凝胶与皮肤间的界面韧性达453.47 J m−2，较原始状态提升了9.7倍，剪切强度达600.14 kPa，提升了8.6倍，拉伸粘附强度556.44 kPa，提升了10.4倍。将CNF/PAA水凝胶作为电极组装为自供电电子皮肤(e-skin)，即使在出汗皮肤上其仍然保持良好的界面粘合性，并且处于运动状态下仍稳定可靠地收集运动信号和生理信号，因此在医疗健康监测和智能传感系统等领域具有广阔的应用前景。
本研究深入探讨了不同条件下CNF/PAA水凝胶的粘附性能。研究发现CNF/PAA水凝胶可以牢固地粘附在人体关节和其他各种基材上，即使在运动时仍未表现出显著的脱离迹象。通过90度剥离、拉伸搭接-剪切和拉伸剥离这三种测试方法进一步定量评估了水凝胶的粘附性能，结果显示随着pH的降低(7.5–4.5)，CNF/PAA水凝胶表现出显著提高的粘附性。与现有的粘附性水凝胶电极相比，该方法制备的水凝胶电极具有更坚韧的可拉伸性、优异的粘附性和稳定的电输出性。
图2 汗液-pH触发CNF/PAA水凝胶的粘附性能
本研究将所设计的CNF/PAA水凝胶与摩擦层集成组装，作为可拆卸汗液-pH触发自供电电子皮肤可以同时用于不同性别人体微小应变、呼吸和吞咽等动作的监测，也可用于长时间运动锻炼下的信号收集，即使在出汗期间仍表现出稳定的电信号响应，在健康检测、智慧医疗以及人机交互等领域具有重要的应用潜力。
图3 可拆卸汗液-pH触发自供电电子皮肤的设计
上述研究成果以“Sweat-pH-enabled strongly adhesive hydrogel for self-powered e-skin applications”为题在线发表于期刊《Materials Horizons》上。该研究工作由中国林科院林化所、南京林业大学共同协作完成，中国林科院林化所硕士研究生张蕾为论文第一作者，中国林科院林化所刘鹤研究员、王丹研究员和南京林业大学徐徐教授为论文共同通讯作者。作者感谢国家自然科学基金重大项目（31890774）、江苏省林业科技创新推广项目（LYKJ[2021]04）对该工作的资助。
原文：https://doi.org/10.1039/D3MH00174A
