随着可穿戴电子、智能医疗和人机交互技术快速发展，兼具高柔性、高强度和良好导电性能的水凝胶受到广泛关注。然而，对于离子导电水凝胶而言，提高离子含量虽然有利于提升导电性能，却往往会破坏聚合物网络，造成力学性能下降。如何实现水凝胶力学性能与离子导电性能的协同提升，是柔性传感材料领域面临的重要问题。

  针对这一问题，东北大学医工学院田野研究员与沈阳工业大学陈亚东副教授团队从天然植物细胞壁独特的多层次、各向异性结构中获得启发，将仿生结构设计与低温3D打印制造技术相结合，构建了PVA-LS-TOCNF仿植物细胞壁复合水凝胶。天然植物细胞壁通过纤维素微纤丝的定向排列以及多组分间协同作用，实现了承载、变形和能量耗散等多种功能。

  2026年8月21日，相关研究成果以“Plant-Cell-Wall-Inspired Robust, Conductive, Composite Hydrogels via Low-Temperature 3D Printing” 为题发表于国际著名期刊 Advanced Functional Materials（影响因子19.9）。沈阳工业大学陈亚东副教授为本文第一作者，东北大学医工学院田野研究员为本文通讯作者。该研究得到辽宁省科学技术厅面上项目支持。

  研究团队借鉴这一结构特征，以聚乙烯醇（PVA）作为柔性水凝胶基体，引入TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）和木质素磺酸钠（LS），分别构建PVA-TOCNF和PVA-LS两种可打印水凝胶墨水，通过调控不同层间的打印方向和堆叠角度，形成类似植物细胞壁纤维取向特征的各向异性多层结构。

图1 低温3D打印制备仿生复合水凝胶示意图

  为解决传统软水凝胶在打印过程中易出现塌陷、融合和成形精度不足等问题，团队进一步采用低温直接墨水书写3D打印技术。利用PVA体系在低温环境下黏度升高以及沉积后快速定形的特点，实现了水凝胶复杂结构的稳定制造，并通过可编程打印路径精确调控层间纤维取向。在此基础上，经Zn²⁺离子后处理，在赋予材料离子导电能力的同时，引入动态配位作用，并结合硫酸根离子的盐析效应进一步增强聚合物网络，从而形成“材料组分—仿生结构—离子作用”协同强化机制。

图2 仿生复合水凝胶传感器力学特性

  实验结果表明，该仿生复合水凝胶表现出优异的综合性能：其拉伸应变超过1600%，拉伸强度最高达到2.20 MPa，韧性超过24 MJ·m^-3，离子电导率最高达到2.13 S·m^-1。

图3 仿生复合水凝胶传感器特性表征

  与此同时，通过改变3D打印层间排列角度，还可以进一步调控材料的力电响应特性，其中拉伸状态下最大应变灵敏系数（Gauge Factor，GF）达到6.99，压缩状态下最大GF达到6.53。研究表明，仿生多层结构不仅能够有效促进应力重新分配和界面能量耗散，还能够在保持较高离子导电性能的同时显著提升材料的力学可靠性，为缓解传统离子导电水凝胶中力学性能与导电性能之间的矛盾提供了新的结构设计思路。

图4 仿生复合水凝胶传感器电学特性

  在应用验证方面，研究团队进一步将所制备的水凝胶构建为柔性传感器，实现了对手指、手腕、肘部和膝关节等人体运动的实时监测，并开展了压力识别、SOS信息编码及电子皮肤手写识别等实验。基于水凝胶传感器构建的人机交互系统还能够将人体手指动作转换为控制信号，实现机械臂的伸展、转动和抓取等动作，展示了其在智能机器人和柔性控制领域的应用潜力。

图5 仿生复合水凝胶传感器运动信号检测

  此外，该水凝胶表现出良好的生物相容性，并被进一步制备成柔性电极开展心电信号监测。实验结果显示，在静坐、出汗、行走和跑步等不同状态下，水凝胶电极均能够获得稳定的心电信号，其信号质量与商用电极具有良好的可比性，体现出其在柔性生物电子和健康监测领域的应用前景。

图6 仿生复合水凝胶传感器人机控制及生物信号检测

  该研究突破了单纯依赖材料配方优化提升水凝胶性能的传统思路，将天然植物细胞壁的结构强化机制、低温3D打印的结构可编程能力以及离子配位调控机制有机结合，实现了水凝胶组成、结构与功能的协同设计，为高性能柔性传感器的可定制制造提供了新的技术路线，也为智能医疗、人机交互、电子皮肤和软体机器人等领域的进一步发展提供了新的方向。

  论文信息：Yadong Chen, Guangteng Zhang, Jipeng Wang, et al. Plant-Cell-Wall-Inspired Robust, Conductive, Composite Hydrogels via Low-Temperature 3D Printing. Advanced Functional Materials, 2026, e77770.DOI: 10.1002/adfm.77770

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77770