【摘 要】
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面向人民生命健康是“四个面向”的重要纲领,因此国家非常注重“健康中国”的战略决策,主动健康监测成为该决策的核心之一。柔性传感器可将各种生命体征信号（体温、血压、心率、呼吸频率、心电、肌电、脑电等生物电信号）转换为可用的电信号对人体健康参数进行实时监测。水凝胶因具有良好的机械性、生物相容性和高导电性等优点已经成为一种代表性的柔性传感器。但是,传统的水凝胶在常温环境下易失水,并在零度下由于结冰而失去原
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面向人民生命健康是“四个面向”的重要纲领,因此国家非常注重“健康中国”的战略决策,主动健康监测成为该决策的核心之一。柔性传感器可将各种生命体征信号（体温、血压、心率、呼吸频率、心电、肌电、脑电等生物电信号）转换为可用的电信号对人体健康参数进行实时监测。水凝胶因具有良好的机械性、生物相容性和高导电性等优点已经成为一种代表性的柔性传感器。但是,传统的水凝胶在常温环境下易失水,并在零度下由于结冰而失去原有性能,导致器件失效。基于此,设计开发一种具有优异机械性能、高导电性和良好抗冻保湿性的水凝胶以应用于主动健康监测具有重要意义。纯聚乙烯醇（PVA）水凝胶由于具有良好生物相容性和自愈性而引起广泛关注。但是,机械性能差、导电性低等问题阻碍了它的进一步发展。为了提高导电性和机械性能,在纯PVA水凝胶中引入导电填料的策略被报道。MXene因具有极高的金属导电性、亲水性和优异的力学性能而用于制备PVA/MXene水凝胶,但是MXene纳米片自堆叠的特性降低了水凝胶离子传导的效率以及削弱了其机械性能。同时,MXene基水凝胶因具有内部富水环境及中等电导率可以作为电磁屏蔽材料,从而保证它作为柔性应变传感器时不受电磁波干扰,使传感器可以正常运行实现对人体健康信号的监测。因此,通过引入具有高导电性和稳定性的聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）制备PVA/MXene/PEDOT:PSS（P/M/P）水凝胶,实现了其兼具优异机械性能和高导电性。本论文采用化学交联法制备P/M/P水凝胶,并通过溶剂置换法制备具有良好抗冻保湿性的P/M/P有机水凝胶。通过将P/M/P水凝胶和P/M/P有机水凝胶作为柔性应变传感器来实时监测人体健康参数,具体内容如下:（1）针对PVA/MXene水凝胶无法兼具优异机械性能和高导电性这一问题,设计合成一种同时具有优异机械性能和高导电性的P/M/P水凝胶。通过调控MXene含量和PEDOT:PSS含量可以改变水凝胶的机械性能和导电性,可以得到P/M/P水凝胶的最大断裂应变为785%,最大抗拉强度为93.57 k Pa,电导率为0.2109 S m-1。基于体系中PVA和四羟基硼酸根离子之间的动态交联以及PVA、MXene和PEDOT:PSS之间的氢键作用,P/M/P水凝胶具有自愈性。水凝胶的多孔结构、高导电性以及内部的富水环境使得P/M/P水凝胶可以满足电磁干扰（EMI）屏蔽的商业化需求。同时,P/M/P水凝胶还具有生物相容性和可降解性。在以上性能的协同作用下,P/M/P水凝胶用作柔性应变传感器时具有较宽的应变范围（0～763%）和高灵敏度（GF=2.31）,可用来监测人体运动。基于此,将P/M/P水凝胶贴附于人体颈部关节处,由于低头玩手机或看电脑时水凝胶会产生拉伸变形,从而导致电阻发生变化,这个变化的信号被设计的电路捕捉并放大从而发出预警声提示我们端正坐姿,这可以帮助人们预防颈椎疾病。（2）针对课题一P/M/P水凝胶在室温环境下快速失水导致耐久性差,零度下具有较差防冻性能这一问题,采用溶剂置换策略制备P/M/P有机水凝胶。通过将P/M/P有机水凝胶和P/M/P水凝胶在-20 oC的冰箱里放置8 h,经过弯曲和扭曲实验可以发现P/M/P水凝胶会发生断裂,而P/M/P有机水凝胶仍保持良好的柔性。以上结果表明P/M/P有机水凝胶在-20 oC下具有抗冻性,而P/M/P水凝胶在相同温度下发生冻结。在温度为25 oC、湿度为35%的条件下放置2天后P/M/P有机水凝胶重量保持在初始重量的70%左右,而P/M/P水凝胶放置2天后重量只有初始重量的19%。以上结果证明P/M/P有机水凝胶具有良好抗冻保湿性。良好的抗冻保湿性使P/M/P有机水凝胶用作柔性应变传感器时在常温下具有永久稳定性以及在低温下仍能保持原有性能进行人体运动监测。
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