明胶 - 锆离子协同构建高韧抗菌水凝胶 赋能柔性可穿戴传感新突破

随着柔性电子技术在人机交互、穿戴健康监测领域的快速渗透，水凝胶凭借类软组织的物理特性，成为新一代柔性传感器的核心基质材料。然而传统导电水凝胶普遍存在力学强度薄弱、长期佩戴易滋生微生物的双重短板，严重制约了其实际场景的落地应用。近日，天津科技大学科研团队通过明胶与四价锆离子（Zr⁴⁺）的协同交联策略，成功开发出一款兼具超高韧性与长效抗菌性能的双网络离子导电水凝胶，为高性能多功能柔性传感材料提供了全新解决方案。

该研究制备的 PMAGZr 水凝胶以聚丙烯酰胺、丙烯酸与明胶为聚合物基体，以氯氧化锆为多功能交联剂，构建出 “共价交联 + 动态氢键 + 金属配位” 的三重交联双网络结构。其中丙烯酰胺 - 丙烯酸共聚物网络提供刚性骨架保障结构完整性，明胶链段通过动态氢键引入可逆物理交联，大幅提升材料的韧性与拉伸性能；Zr⁴⁺则与聚合物链上的羧基、酰胺基形成稳定配位键，既进一步强化网络稳定性，又无需额外添加抗菌剂即可赋予材料本征抗菌能力。

图 1: PMAGZr 水凝胶的合成路线与三重交联网络构建机制示意图。

测试数据显示，这款水凝胶展现出极为优异的力学综合性能：断裂韧性达 6.11 MJ・m⁻³，断裂伸长率高达 720.18%，性能远超多数已报道的同类水凝胶材料。即使在浸水 24 小时后，仍能保持 548% 的最大拉伸应变，在反复形变场景下具备出色的结构稳定性。研究团队通过分子动力学模拟与密度泛函理论计算，从微观层面揭示了明胶与合成聚合物链间的强静电吸引、氢键协同作用机制，为材料宏观性能的提升提供了理论支撑。

图 2: PMAG₀.₃Zr₅水凝胶的微观形貌、元素分布与化学结构表征结果。

针对穿戴场景的微生物感染风险，研究团队验证了水凝胶对革兰氏阴性大肠杆菌与革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的显著抑制效果。24 小时培养后，材料对两种菌株的抑菌圈直径分别达 24.70 mm 与 43.33 mm，对金黄色葡萄球菌可实现近两个数量级的活菌量下降。其抗菌机制源于 Zr⁴⁺的双重作用：一方面通过静电与配位效应破坏细菌细胞膜、干扰核酸与酶活性，另一方面可封闭明胶上的细菌结合位点，减少细菌黏附，实现长效抗菌防护，有效降低长期皮肤接触引发的感染风险。

图 3: 水凝胶水分子存在状态分析及分子间相互作用的理论计算验证。

在传感性能层面，基于该水凝胶制备的柔性应变传感器表现出快速响应（0.6 秒）、高灵敏度与宽检测范围的特性，最高应变灵敏度系数（GF）达 4.03，在 0%–300% 应变区间内呈现梯度响应规律。将传感器贴合于人体不同关节部位，可精准捕捉手指弯曲、手腕按压、膝部运动等多维度生理动作信号，即使经过 1000 次循环拉伸，信号衰减仅 0.76%，长期稳定性优异。值得关注的是，该传感器还可实现摩尔斯电码的可视化编码与传输，能够在应急场景下完成信息交互，拓展了可穿戴设备的功能边界。

业内人士表示，这项研究突破了传统水凝胶 “力学强度与功能集成难以兼顾” 的核心痛点，通过简单的组分设计与多尺度交联策略，在单一材料体系中实现了高韧性、本征抗菌、高灵敏传感与应急通讯的多重功能融合。该材料在穿戴健康监测、人机交互界面、特殊作业应急装备等领域具备广阔应用前景，也为下一代高性能多功能柔性传感器的开发提供了新的设计思路。

参考文献：Zhang Y, Wu Z, Zhao F, et al. High-Toughness and Antibacterial Hydrogels via Gelatin and Zr4+ Synergy for Flexible Motion-Monitoring Sensors[J]. ACS Applied Polymer Materials, 2026.