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本研究采用一锅法制备了具有半互穿网络结构的PKPM-S水凝胶，通过MXene和KCl增强其导电性与机械性能，拉伸强度达5.706 MPa，灵敏度4.6，响应时间100ms。集成无线蓝牙技术与CNN算法，构建智能监测系统，应用于步态识别和康复医疗。
作者名单：薛玉莫、李一琦、李冰冰、刘青英、李业涵、张梦凡、姚新安、刘一成、万文宇、刘若楠、叶天、张凯
中国医科大学盛京医院消化内科内镜中心，沈阳 110004
摘要
近年来，水凝胶传感器因能够检测多种刺激而受到广泛关注。本研究首先采用“一锅法”制备了一种由聚乙烯醇（PVA）和普鲁兰多糖（PUL）组成的半互穿网络（sIPN）凝胶，并加入氯化钾（KCl）和MXene以形成导电网络。随后，通过Solketal（SK）处理使凝胶网络收缩，从而提高其机械性能（命名为PKPM-S）。网络收缩后，PKPM-S凝胶的机械性能提高了约9.6倍，最大抗断裂强度达到5.706 MPa。此外，在应变低于40%时，PKPM-S的压缩性能提高了2倍。MXene和KCl的协同作用赋予了PKPM-S凝胶高灵敏度，其灵敏度系数（GF）为4.6，响应时间为100 ms。利用PKPM-S的优异传感性能并结合无线蓝牙技术，我们开发了一种用于足部形态和人体运动监测的无线远程智能系统。该系统结合了基于卷积神经网络（CNN）的深度学习算法，用于步态识别和辅助康复功能。PKPM-S凝胶在医疗康复和人工智能（AI）领域具有广泛应用潜力。
引言
近年来，人工智能的快速发展推动了柔性电子设备的迅速发展。这类设备可以分析、处理、利用并模拟人体的多种生理过程。作为柔性电子设备的一种，柔性传感器能够将压力和应变等机械刺激转换为可检测的电阻[1]、电流[2]和电容信号[3]，从而实现信号感知和操控。它们还能实时监测周围环境，在健康监测[4]和人机交互（HCI）[5]等领域展现出巨大潜力。水凝胶具有高度亲水的三维（3D）网络结构，能为生物分子的扩散和反应提供类似生物体内的环境，同时保持其结构[6]、[7]。在生物传感领域，水凝胶有助于生物分子的传输和结合，提高检测的灵敏度和效率[8]、[9]。通过向水凝胶中添加其他化合物或对其进行化学改性，可以赋予其多种特性，如自愈[10]、高韧性[11]、抗菌[12]、抗冻[13]、抗膨胀[14]和生物相容性[15]。因此，水凝胶传感器成为柔性应变传感器的理想候选材料。
然而，水凝胶的网络结构是由水和聚合物材料相互作用形成的，这通常导致其机械强度较低。为了提高水凝胶传感器的机械强度，可以整合刚性结构、调整分子组成比例或构建多层交联网络，但这可能会影响其对细微变形和身体运动的准确感知能力。机械强度的提高可能会限制传感器对压缩刺激的灵敏度，从而影响其整体性能和灵敏度[16]、[17]。此外，大多数水凝胶通过添加导电聚合物来提高导电性[18]、[19]，但导电聚合物的生物相容性较低，可能导致免疫反应等不良后果。金属电极与水凝胶的高水分含量长时间接触会引发电化学腐蚀，而直接接触皮肤则会导致水分滞留。多功能水凝胶更能满足智能康复医学和现代HCI技术的复杂需求，因此迫切需要开发新的策略来制造兼具强度、韧性和高灵敏度的多功能柔性生物传感器。
本研究采用凝胶网络脱水技术制备了PKPM-S水凝胶。假设通过PVA和PUL之间的氢键结合以及脱水处理，能够显著提升水凝胶的机械性能。实验结果显示，该传感器的抗拉强度达到5.706 MPa（提高了约9.6倍），韧性峰值达到14.120 MJ/m3，最大抗拉应变达到430%，表现出宽广的应变响应范围。该传感器具有优异的传感性能，灵敏度系数（GF）高达4.6，响应时间仅为100 ms，恢复时间也为120 ms，显示出良好的实时传感适用性。经过2000次压缩循环后，PKPM-S水凝胶仍保持高稳定性。MXene表面的含氧官能团不仅与PVA形成氢键，还由于MXene的二维（2D）结构促进了水凝胶内部定向网络的形成，从而提高了其导电性。具体而言，PKPM-S水凝胶的导电性达到1.95 S/m。与添加导电聚合物和金属纳米材料导致的生物相容性问题相比，PKPM-S水凝胶使用盐离子和MXene，具有更好的生物相容性，更适合用于步态监测[20]、[21]、[22]等生物医学领域。结合优异的机械性能、传感性能和导电性，水凝胶可作为高灵敏度的压力传感器，检测不同压缩应变下的压力信号。通过将PKPM-S水凝胶传感器与深度学习算法和无线传输技术相结合，我们开发了一种用于监测坐姿、足部形态、人体运动以及步态识别和康复的无线远程智能系统（图1a）。这一解决方案为康复医学领域提供了可持续的方法，为患者康复开辟了新的途径。
材料
聚乙烯醇（PVA，纯度99%）和Solketal（SK，纯度98%）购自中国山东的优索有限公司。氯化钾（KCl，纯度≥99.5%，固态）来自山东凯源生化有限公司。普鲁兰多糖（PUL，固态）由上海英新实验室设备有限公司提供。MXene（单层Ti?C?Tx分散体，纯度≥99.9%，分散浓度：10 mg/mL，分子量：167.6）由佛山新西科技有限公司提供。
PKPM-S水凝胶的制备
图1b展示了水凝胶的制备步骤。选择PVA作为主要水凝胶基质，因其具有良好的生物相容性和可调节的晶体结构。MXene含有丰富的含氧官能团和导电性，可作为纳米填料提高水凝胶的导电性。PUL能够增强PVA水凝胶的机械性能，并具有较好的生物相容性。在冷冻过程中，PVA链发生弯曲和重组，形成PVA和KCl之间的离子键。
结论
本研究通过MXene增强、半互穿网络（sIPN）构建和网络收缩技术成功制备了具有优异性能的水凝胶传感器。该水凝胶具有高韧性、出色的应变灵敏度（灵敏度系数高达4.6）、快速响应时间（100 ms）和良好的生物相容性及导电性。此外，我们还基于PKPM-S水凝胶传感器开发了一个人机界面，能够实时捕捉多关节动态（例如手指运动）。
作者贡献声明
薛玉莫：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念化。
李一琦：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念化。
李冰冰：软件开发、方法学设计。
刘青英：数据分析。
李业涵：数据可视化。
张梦凡：项目监督。
姚新安：资源协调。
刘一成：方法学设计。
万文宇：
伦理声明
本文描述的所有人体实验均为非侵入性、表面级别的操作，对健康无不良影响，符合世界医学协会（WMA）的赫尔辛基宣言。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32201179）、国家重点研发计划（2023YFC2508200）和中央高校基本科研业务费（N25LPY011和N25BJD013）的支持。
