近年來，具有優良導電及磁響應性的水凝膠因在可穿戴應變傳感等生物醫學設備領域的廣泛應用而受到研究者們的廣泛關注。然而現有的電磁水凝膠大多存在兩方面的主要問題，一方面是缺乏良好的力學性能，這極大的限制了電磁水凝膠的實際應用；另一方面是制備方法比較復雜，成本高，不適合大規模生產。因此，急需探索一種簡單有效的新方法來制備兼具良好力學性能、優異導電性和磁響應性的水凝膠。
最近，太原理工大學王艷芹副教授課題組提出通過順次原位法在聚乙烯醇（PVA）網絡內部依次生成具有導電性能的聚吡咯（PPy）和具有磁響應性的四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子，最終得到具有良好力學性能的電磁水凝膠（Fe3O4/PPy/PVA）（制備流程如圖1所示）。
圖1.Fe3O4/PPy/PVA電磁水凝膠的制備過程示意圖。插入圖片分別代表(a)Py/PVA溶液，(b)Py/PVA水凝膠，(c)PPy/PVA水凝膠，(d)Fe3O4/PPy/PVA水凝膠。
該課題組先以Fe3+為氧化劑在Py/PVA水凝膠內采用原位氧化法生成PPy，然后又通過原位沉淀法在PPy/PVA水凝膠網絡內生成具有不同形貌的Fe3O4納米顆粒（如圖2），最終得到Fe3O4/PPy/PVA電磁水凝膠。
圖2.水凝膠的形貌圖。PPy/PVA水凝膠的a(i)表面、a(ii)橫截面HRSEM圖，圖b(i)、c(i)、d(i)分別代表在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中制備的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的HRSEM圖，b(ii)、c(ii)、d(ii)分別代表Fe3O4/PPy/PVA水凝膠內生成的Fe3O4納米顆粒HRSEM圖。
更重要的是，通過控制吡咯的濃度、浸泡Fe2+/Fe3+混合溶液的時間、浸泡氫氧化鈉溶液的濃度，可以精確調控該復合水凝膠的力、電、磁學性能（圖3，圖4）。
圖3.Py含量不同的PPy/PVA水凝膠的(a)拉伸應力-應變曲線,(b)彈性模量,(c)電導率；Py含量為0.4 M，在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡0h、4h、8h、12h,0.5 M NaOH溶液中浸泡12h的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(d)拉伸應力-應變曲線,(e)彈性模量,(f)電導率。
圖4.在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡12h，分別在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中浸泡12h制備的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(a)電導率，(b)磁滯回線；在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡0h、4h、12h,在0.5 M NaOH溶液中浸泡12h的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(c)磁滯回線。
由于獨特的制備方法，聚吡咯在PVA網絡內的均勻分散為電子的傳輸提供連續通道，使得Fe3O4/PPy/PVA水凝膠具有優異的導電性（1.95±0.17 E-4 S cm-1）；Fe3O4納米顆粒在PVA網絡的模板作用下沿著PPy/PVA水凝膠骨架均勻生成，賦予凝膠良好的磁響應性（最大磁飽和強度為5.42 emu g-1）和力學性能（拉伸強度 575.03±28.32 kPa，彈性模量 461.19±24.75 kPa）。最后，該研究團隊對Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的應變傳感性能和磁導航性能進行了測試，結果表明該Fe3O4/PPy/PVA水凝膠具有發展為應變傳感器及磁導航儀的前景（如圖5所示）。
圖5.Fe3O4/PPy/PVA水凝膠在(a)不同應變(0%、25%、50%、75%、100%),(b)從0%到100%的300次連續應變過程對應的阻抗變化；Fe3O4/PPy/PVA水凝膠隨手指彎曲不同角度(0°、30°、5°、90°)的(c)圖片，(d)應變阻抗變化；(e)Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的磁導航示意圖。
上述工作以Sequential in-situ route to synthesize novel composite hydrogels with excellent mechanical, conductive, and magnetic responsive properties為題發表于Materials & Design. DOI information: 10.1016/j.matdes.2020.108759。第一作者為太原理工大學王艷芹副教授，碩士研究生朱亞萍為共同第一作者，通訊作者為王艷芹副教授及陳維毅教授。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520302938?via%3Dihub
