关键词：3-氨基苯硼酸、聚乙烯醇PVA、过硫酸铵APS、氟化钠NaF、聚苯胺硼酸

Coupled Electronic and Ionic Conductivity in Strain-Stiffening Hydrogels

Adv. Sci. 25 June 2026，e76247

https://doi.org/10.1002/advs.76247

一、研究背景

多数生物组织呈现出典型的非线性应变硬化力学特性，即在小形变条件下维持柔软力学状态，当承受较大载荷时，模量自发升高，从而保护组织免受机械损伤。同时，生物组织依赖离子传导完成信号转导过程。传统柔性导电水凝胶通常仅具备单一离子导电或电子导电能力，且力学行为多表现为应变软化，难以匹配生物组织的力学响应特征，这一缺陷限制了其在植入式生物传感、神经接口、软体驱动器等生物电子领域的应用。

针对上述瓶颈，开发同时兼具类组织应变硬化特性与电子-离子协同导电性能的水凝胶材料成为亟待解决的问题。硼酸酯键属于动态可逆共价键，可用于构建自修复动态交联网络；共轭导电聚合物可提供连续电子传导通路，将二者结合有望实现力学自适应与双导电性能的一体化构建。本文设计制备了PVA/PABA复合水凝胶，基于pH响应型硼酸酯动态交联实现凝胶网络的渐进式交联，对其微观结构、力学行为与双导电输运机制开展系统研究，阐明形变对电荷传输的调控规律，并面向生物电子应用验证其机电转换性能。

二、实验部分

1、PABA导电聚合物合成

以3-氨基苯硼酸（3-APBA）为单体，经氟化钠改性制备得到3-APBA-F；在APS引发的自由基聚合条件下发生氧化聚合，合成得到聚苯胺硼酸（PABA）共轭导电高分子。

2、PVA/PABA复合水凝胶制备

将PVA水溶液与PABA分散液混合，调控体系pH值。在pH 7.4~9条件下，PABA侧链的硼酸基团可与PVA的羟基发生反应生成硼酸酯动态共价键，实现渐进交联，制备得到PVA/PABA复合水凝胶；通过调控pH梯度（pH 6~9）获得系列样品。

3、材料表征

采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征硼酸酯、C-N、C-O等特征官能团，验证交联反应的发生；通过光学照片观察不同pH条件下水凝胶的宏观形貌；通过拉伸力学测试表征材料的应变硬化行为；分别测试样品的电子电导率与离子电导率；同步采集形变过程中的电阻变化，分析材料的机电响应特性。

三、结果与讨论

红外光谱结果证实，随着pH升高，硼酸酯交联特征峰强度逐渐增强，表明高pH条件下可生成大量硼酸酯键。宏观形貌观察显示，当pH由6升高至9时，凝胶颜色逐渐加深，网络交联程度逐步提升。在弱碱性环境（pH 7.4–9）下，PABA与PVA之间可形成大量动态硼酸酯交联，构建出动态可逆网络，赋予材料应变硬化特性；而酸性条件下硼酸酯反应活性低，分子间相互作用微弱，难以形成完整的交联网络。

该复合水凝胶可形成双逾渗传导体系：PABA共轭链构成连续电子传导通路，水相中的游离离子提供离子传导通道，实现电子-离子耦合导电。力学形变可直接调控材料的电子电阻；当应变硬化现象出现时，电阻进入稳定平台区。机理分析表明：在低应变阶段，电荷输运受材料几何尺寸效应限制；当应变硬化启动后，高分子链沿受力方向发生取向，电荷输运转变为取向辅助型传输机制，进而实现电阻稳定。动态硼酸酯键同时赋予水凝胶自修复潜力。该材料兼具与软组织相似的非线性力学特性与双模式导电能力，可实现稳定的机电信号转换。

四、结论

本文构建了PVA/PABA复合水凝胶，利用pH响应型硼酸酯动态交联，实现了类生物组织的应变硬化力学行为，同时实现电子与离子耦合传导。动态硼酸酯交联网络不仅赋予材料应变硬化与自修复能力，还辅助共轭导电聚合物形成电子传导逾渗网络。形变可调控材料的电子电阻，在应变硬化区间出现电阻平台，本文揭示了网络电荷传输机制的转变规律。这种兼具双导电一体化与自适应力学特性的水凝胶，为新一代柔性生物电子与软组织传感材料提供了新的设计思路。

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