宁夏师大《RSC Adv》：纳米限域石墨烯水凝胶，实时健康监测新平台

柔性可穿戴传感器在实时个人健康监测、人机交互和运动科学等领域展现出巨大应用潜力。然而，传统水凝胶材料面临力学性能不足、自愈合能力弱、抗疲劳性差等固有局限，难以满足柔性电子和生物医学工程的苛刻要求。如何在单一水凝胶体系中同时实现高拉伸强度、超大伸长率、高效自愈合和优异抗疲劳性，是柔性传感器走向实际应用的关键挑战。氧化石墨烯（GO）凭借其丰富的表面含氧官能团（—OH、—COOH、—C—O—C—）、超大比表面积和优异的力学增强效应，是构筑高性能纳米复合水凝胶的理想纳米填料。然而，GO片层在聚合物基体中容易发生团聚和重新堆叠，限制其增强效果的充分发挥。如何实现GO在聚合物网络中的均匀分散和有效界面相互作用，是GO复合水凝胶性能突破的核心。

本文，宁夏师范大学Lili Tian等在《RSC Advances》期刊发表名为“Nanoconfinement-enabled GO hydrogels via Hummers’ method for real-time health monitoring”的论文。该研究通过Hummers法制备GO，并创新性地提出纳米限域（nanoconfinement）策略，将GO引入硼酸酯交联网络中，构建了纳米限域GO纳米复合水凝胶。该策略的核心创新在于：

(1) 纳米限域效应——硼酸酯交联网络对GO片层形成纳米级空间限域，有效抑制GO片层的团聚和重新堆叠，促进GO在聚合物基体中的均匀分散；

(2) 动态硼酸酯键协同——动态硼酸键与GO表面官能团（—OH、—COOH）发生协同相互作用，形成多重动态交联网络，显著增强水凝胶的力学性能和自愈合能力；

(3) GO片层应力分散——GO的层状结构有效分散应力集中、抑制裂纹扩展，赋予水凝胶优异的抗疲劳性能。优化后的纳米限域GO水凝胶实现了161 kPa的拉伸强度、938%的断裂伸长率、89.1%/83.1%的强度/应变自愈合效率和>90%的疲劳恢复率。

基于该水凝胶的柔性传感器展现可调灵敏度（GF = 1.7 @ 0–250%；5.3 @ 250–300%）、240 ms快速响应和1000次循环稳定性，可精确监测关节运动、手指弯曲和声带活动等多种人体运动，为实时智能个人健康监测提供了极具前景的新平台。

图1、Structure and properties of nanocomposite hydrogels, (A) preparation of GO and (B) nanocomposite hydrogels, (C) multiple dynamic interactions of nanocomposite hydrogels, (D) FTIR spectra of the GO and hydrogels, (E) SEM image of the A₃₅P₅B_17.5M₁₅–GO_1.5 hydrogel, scale bar: 50, (F) XRD patterns of the GO and hydrogel.

综上所述，该工作创新性地提出了纳米限域（nanoconfinement）策略，通过将Hummers法制备的GO引入硼酸酯交联网络，构建了高性能GO纳米复合水凝胶。核心发现与贡献包括：

1. 纳米限域效应——硼酸酯交联网络对GO片层形成纳米级空间限域，有效抑制GO团聚和重新堆叠，促进均匀分散，充分发挥GO的力学增强效应；
2. 动态协同增强——动态硼酸酯键与GO表面官能团形成多重动态交联网络，实现161 kPa拉伸强度 + 938%断裂伸长率的力学性能突破；
3. 高效自愈合 + 抗疲劳——动态键交换和GO应力分散协同，实现89.1%/83.1%的强度/应变自愈合效率和>90%的疲劳恢复率；
4. 优异传感性能——可调灵敏度（GF = 1.7 / 5.3）、240 ms快速响应、1000次循环稳定，精确监测关节运动、手指弯曲和声带活动等多种人体运动。

该工作为高性能柔性水凝胶传感器的设计提供了”纳米限域+动态交联+GO增强”的新范式，在实时智能个人健康监测、人机交互和运动科学等领域具有广阔应用前景。

文献：https://doi.org/10.1039/D6RA01645F