导电水凝胶凭借其卓越的柔韧性和生物相容性，在柔性电子领域展现出巨大的应用潜力。然而较低的力学性能、离子电导率以及低灵敏度限制了它进一步发展和应用。在本工作中，作者提出了一种基于金属离子价态改变聚合物链聚集状态来原位调控水凝胶力学性能和导电性能的策略。具体而言，通过以海藻酸钠（SA）和聚乙烯醇（PVA）为基体，分别引入不同离子价态的金属盐（Li2SO4、ZnSO4 和 Fe2(SO4)3），利用霍夫迈斯特效应和金属配位作用，得到了力学性能和导电性能宽范围可调的离子导电水凝胶。有趣的是，PVA/SA/Zn2+水凝胶实现了力学性能和导电性能的平衡，其拉伸强度、断裂伸长率和离子电导率分别达到了2.20 MPa、1201%和0.92 S/m。基于其优异的力学性能和导电性能，导电水凝胶具备显著的应变传感特性，从而显示出了在人体运动监测和信息传递领域的巨大潜力（图1）。相关成果以题为“Polyvinyl alcohol/sodium alginate hydrogels with tunable mechanical and conductive properties for flexible sensing applications”发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。
图1：性能宽范围可调的PVA/SA水凝胶用于柔性传感应用
进一步地，作者受人体肌腱组织的启发，以天然多糖纤维素和聚乙烯醇作为凝胶网络的基体，提出了一种通过冰模板法协同Zn2+/Li+双金属离子配位调控的策略，构建了一种多层次结构的水凝胶来显著增强水凝胶的力学性能和导电性能。有趣的是，基于水凝胶灵敏的应变传感特性，作者建立了不同的风力（吸力）与水凝胶的相对电阻变化之间的线性关系，开发出了一种智能化用药监测系统。该系统利用水凝胶作为柔性传感材料，可以用于婴儿或老年哮喘患者的用药监测。此外，由于其显著的高强度和离子迁移数，导电水凝胶也显示出了在柔性锌离子电池中作为电解质的应用潜力。该研究为构建用于医疗监测和柔性储能领域的离子导电水凝胶提供了一种绿色的仿生策略。相关成果以题为“Tendon-inspired robust ionic conductive hydrogels with multi-hierarchical structures towards asthmatic patients medication monitoring”发表于《Green Chemistry》。
图2：人体肌腱组织启发的离子导电水凝胶用于哮喘病人的用药监测和柔性锌离子电池
以上工作，江南大学博士研究生周琦为第一作者，杨伟军副教授和马丕明教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和江苏省研究生科研与实践创新计划项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137822
https://doi.org/10.1039/D4GC04607B
