Chem Eng J：高粘附、导电、光热抗菌的MXene增强双网络水凝胶用于可穿戴应变传感器及细菌感染伤口愈合

     针对可穿戴导电水凝胶应变传感器在实际使用中易造成体表细菌传播、诱发皮肤感染，而传统抗菌改性手段易产生细菌耐药性的研究背景，本研究将MXene纳米材料引入聚乙烯醇‑聚丙烯酸（PVA‑PAA）双网络水凝胶，借助多重氢键与化学交联构建三维网络，实现MXene对水凝胶力学增强、导电网络构筑、高效光热转换的三重协同效应。测试结果表明该水凝胶最大应力可达1.6 MPa、韧性为3.56 MJ/m³，电导率达4.5 S/m，对猪皮粘附强度23.7 kPa，可实现50 ms快速自修复，应变灵敏度因子GF最高可达7.20，能够识别人体关节大运动以及吞咽等微弱生理活动，在808 nm近红外激光照射1.5 min条件下可高效杀灭金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌，大鼠体内感染伤口实验证实其可减轻炎症反应、加速创面愈合，综合性能优于多数已报道MXene基水凝胶传感器。该工作提出的一体化多功能水凝胶构筑策略，解决了可穿戴传感与抗菌治疗难以兼顾的痛点，为面向健康安全的可穿戴应变传感器及电子皮肤器件开发提供新思路与实验依据。

• 实现MXene的三重协同功能利用。不同于多数研究仅将MXene单一用作导电填料，该工作将MXene同时作为力学增强相、导电网络构筑单元、光热转换介质，依靠MXene表面丰富官能团与PVA‑PAA基体形成大量氢键相互作用，仅通过单一组分就同步实现水凝胶力学强化、提升导电能力、赋予光热抗菌性能，简化了多功能水凝胶的制备体系，避免多种功能填料复配带来的相容性问题。

• 集成多重优异性能，兼顾传感、粘附自修复与光热抗菌。构建PVA‑PAA物理‑化学协同交联双网络水凝胶，获得高韧性（3.56 MJ/m³）、强皮肤粘附（猪皮23.7 kPa）、50 ms快速自修复、高应变灵敏度（GF=7.20）的综合性能；传感器既可以精准检测人体大幅度关节运动与吞咽等微弱生理信号，又可在808 nm近红外光辅助下快速杀灭革兰氏阳性、阴性细菌，将人体运动监测与细菌感染治疗功能集成在同一水凝胶器件上。

• 开展体外‑体内完整验证，面向可穿戴健康应用提供实证。该论文不仅完成材料微观结构、力学、电学、传感、光热抗菌等体外系统表征，还构建大鼠细菌感染伤口模型，证实该水凝胶敷料结合近红外光能够降低体内炎症因子水平，有效促进感染皮肤创面愈合，证明器件从运动传感到创面治疗的实际应用潜力，为安全型可穿戴电子皮肤的开发提供完整的实验支撑。

图1 MXene/PVA/PAA水凝胶的制备示意图与表征。(A) MXene/PVA/PAA水凝胶的制备过程示意图；(B) MXene/PVA/PAA水凝胶作用机理示意图，展示MXene、PVA与PAA分子链之间的氢键相互作用；(C) PVA/PAA水凝胶的扫描电镜图；(D) MXene/PVA/PAA水凝胶的扫描电镜图；(E) PVA、PVA/PAA水凝胶以及MXene/PVA/PAA水凝胶的傅里叶变换红外光谱；(F) PVA、PVA/PAA水凝胶以及MXene/PVA/PAA水凝胶的热重分析曲线；(G) PVA、PVA/PAA水凝胶以及MXene/PVA/PAA水凝胶的X射线光电子能谱全谱；(H‑J) MXene/PVA/PAA水凝胶的Ti 2p、O 1s、C 1s高分辨X射线光电子能谱谱图。

图2 MXene/PVA/PAA水凝胶的物理力学性能。(A) MXene/PVA/PAA水凝胶扭曲、弯曲与拉伸实物照片；(B)不同丙烯酸(AA)含量下MXene/PVA/PAA水凝胶的拉伸测试曲线；(C)丙烯酸含量对水凝胶杨氏模量和韧性的影响；(D)不同MXene含量下MXene/PVA/PAA水凝胶的拉伸测试曲线；(E)MXene含量对水凝胶韧性的影响；(F)MXene/PVA/PAA水凝胶在100%应变下经过500次循环拉伸测试的应力‑应变曲线。

图3 MXene/PVA/PAA水凝胶的导电与自修复性能。(A)水凝胶在原始、拉伸以及恢复状态下点亮LED灯的实物照片；(B)水凝胶原始、开裂以及自修复后点亮LED灯的实物照片；(C)MXene/PVA/PAA水凝胶的应变扫描流变测试；(D)高低应变交替循环条件下水凝胶的时间扫描流变测试；(E,F)水凝胶断裂‑自修复过程中的电流变化曲线；(G)MXene/PVA/PAA水凝胶自修复机理示意图；(H)经过10次自修复循环后水凝胶的力学性能与导电性能保留率。

图4 MXene/PVA/PAA水凝胶的粘附性能。(A)水凝胶对玻璃、橡胶、金属、聚四氟乙烯、塑料、陶瓷不同基材的粘附实物照片；(B)水凝胶粘附在手指皮肤表面，手指进行不同角度弯曲的实物照片；(C)剥离力测试原理示意图；(D)水凝胶在不同基材表面的粘附强度；(E)10次剥离‑粘附循环后，水凝胶对各类基材的粘附强度变化；(F)MXene/PVA/PAA水凝胶对不同基材的粘附作用机理示意图；(G)水凝胶对心脏、肝脏、脾脏、肺、肾脏、肠道生物组织的粘附实物照片。

图6 MXene/PVA/PAA水凝胶的光热与抗菌性能。(A)808 nm激光照射不同时间下MXene/PVA/PAA水凝胶与PVA/PAA水凝胶的红外热成像图；(B)两种水凝胶在808 nm激光照射过程中的温度变化曲线；(C)不同MXene含量的水凝胶在808 nm激光照射下的温度变化曲线；(D)水凝胶5次808 nm激光开‑关循环的光热稳定性测试；(E)有无808 nm激光照射条件下，金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌的琼脂平板菌落照片；(F)有无808 nm激光照射条件下细菌活/死荧光染色显微图片；(G)本工作水凝胶与已报道MXene基应变传感器关键性能雷达图对比。

图7 水凝胶对细菌感染大鼠伤口的体内治疗效果。(A) MXene/PVA/PAA水凝胶用于大鼠细菌感染伤口处理以及光热治疗示意图；(B) 808 nm激光照射不同时间后感染伤口部位的红外热成像图；(C)不同处理组大鼠伤口在第1、7、14天的伤口实物照片；(D)不同处理组伤口愈合过程代表性照片；(E)各组在不同时间点的伤口愈合率统计；(F)处理14天后各组大鼠皮肤伤口组织的苏木精‑伊红(H&E)染色切片；(G)第3天和第14天各组大鼠血清肿瘤坏死因子‑α(TNF‑α)含量；(H)第3天和第14天各组大鼠血清白介素‑6(IL‑6)含量。

本文通过简单易行的制备策略，构建了MXene增强PVA‑PAA双网络多功能水凝胶，利用MXene表面丰富官能团与聚合物基体形成多重氢键，结合化学交联得到稳定三维交联网络，实现了MXene单一组分同时完成力学增强、构建导电通路与光热转换的三重协同作用。力学测试表明，优化后的水凝胶最大断裂应力可达1.6 MPa，韧性达到3.56 MJ/m³，具备优异的抗拉伸与抗疲劳性能，经过500次循环拉伸后性能无明显衰减。得益于动态可逆氢键作用，该水凝胶可实现50 ms快速自修复，同时对猪皮粘附强度可达23.7 kPa，多次剥离‑粘附循环后仍可维持较高粘附水平。该水凝胶电导率可达4.5 S/m，以此组装的应变传感器最高灵敏度因子GF为7.20，响应与恢复迅速，不仅可以监测肘部、手腕、手指等大幅度关节运动，还能够识别吞咽这类微弱生理活动，在人工汗液浸泡、宽温度区间下传感输出依旧稳定，满足人体运动监测的使用需求。得益于MXene优异的光热转换能力，在808 nm近红外激光照射1.5 min后，水凝胶可以高效杀灭金黄色葡萄球菌与铜绿假单胞菌。大鼠细菌感染创面体内实验结果表明，该水凝胶结合近红外光热治疗，能够有效下调TNF‑α、IL‑6炎症因子的表达，减轻创面炎症浸润，促进上皮组织再生，创面愈合效果优于商用3M敷料。综上，本研究成功将高粘附应变传感、光热抗菌、创面修复功能集成于同一水凝胶体系，解决了传统可穿戴水凝胶器件易诱发皮肤细菌感染的问题。该一体化多功能水凝胶的制备策略，为开发面向人体健康监测的安全型可穿戴应变传感器与电子皮肤提供了新的思路。后续还需要进一步推动该水凝胶与无线模块集成，以期实现实时远程健康监测与人机交互应用。

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