关键词：双网络 GACM 水凝胶，TOCNC 氧化纳米纤维素，MXene，压电离子效应

3D-Printable, Biodegradable, and Conductive/Piezoionic Hydrogel ‘ E-Skin ’ With Robust Antibacterial Properties for Wound Healing and Wireless Human-Machine Interface Sensing

First published: 13 July 2026

 https://doi.org/10.1002/adfm.77075Digital Object Identifier (DOI) 

一、研究背景

导电水凝胶基电子皮肤是柔性穿戴健康监测、智能创面敷料、软体机器人人机交互领域核心材料，不过传统 3D 打印导电水凝胶一直存在难以调和的行业矛盾：

📊成型性与粘附性能相互限制：若调整墨水剪切变稀流变特性适配直写 3D 打印，材料刚性提高，与人体皮肤、不规则创面贴合效果差，肢体活动时容易脱落，传感信号漂移失真；若提升水凝胶对软组织的粘附能力，墨水粘弹性不够，打印过程会发生结构坍塌，无法制备高精度异形传感器件；

📊环境与生物安全性不足：大多数导电水凝胶基体无法降解，一次性医用敷料废弃后会产生电子垃圾；部分导电填料、交联剂带有细胞毒性，限制了在活体创面的应用；

📊传感需要外接供电：普通导电水凝胶仅拥有电阻应变传感功能，必须搭配电池供电，设备笨重，不适合长期便携穿戴；

📊医用功能单一：现有传感水凝胶仅能监测伤口形变，缺乏抗菌、药物缓释、促愈合的一体化功能，无法同时实现创面治疗；

📊应用场景分割：多数材料仅能实现人体传感，很难同时兼顾医用创面修复与机器人无线控制两大场景。

因此迫切需要开发一种同步解决打印成型与皮肤粘附矛盾，集成可降解、压电自驱动传感、广谱抗菌、pH 响应药物缓释、无线人机交互多功能一体化的纳米复合水凝胶电子皮肤。本研究选用 TOCNC 氧化纤维素纳米晶与 MXene 二维导电纳米片协同改性，构筑双网络 GACM 纳米复合水凝胶，一次性解决了上述所有痛点。

二、GACM 双网络纳米复合水凝胶分步制备工艺

💧 TOCNC/MXene 协同双网络前驱体制备 以亲水高分子构筑基础柔性网络，引入 TOCNC 调控墨水流变行为，赋予墨水优异的剪切变稀性能，适配直写 3D 打印；MXene 纳米片均匀分散在双网络骨架内部，搭建连续导电通路，同时和 TOCNC 形成多重动态氢键，同步提升力学粘附性能与压电离子响应能力，不需要有毒交联助剂。

💧 姜黄素功能负载打印墨水调配 将天然促愈合活性药物姜黄素均匀掺杂到 GACM 水凝胶前驱液中，依靠分子间作用力实现稳定包覆；水凝胶内部 pH 敏感交联位点可以实现创面酸性环境下的可控释药，整个过程没有有毒有机溶剂，生物相容性优异，符合活体医用标准。

💧 DIW 直写 3D 打印成型与温和后处理 采用挤出直写 3D 打印技术，可根据需求打印薄膜敷料、应变传感器、阵列式电子皮肤等复杂结构；室温温和交联成型，不需要高温、紫外苛刻条件，成型后同时拥有力学、导电、生物医用多重优势。

💧 材料结构核心优势

1.双填料互补协同：TOCNC 调控打印流变、强化组织粘附；MXene 提供高导电、压电离子效应、广谱抗菌，二者互补攻克传统水凝胶 “打印 - 粘附“两难瓶颈；

2.全组分可生物降解：高分子基质、天然 TOCNC 纤维素都能在体液中逐步降解，MXene 残留量低、生物安全性高，废弃敷料可自然降解不会产生电子污染；

3.单材料多功能集成：同一套 GACM 水凝胶可同时实现 3D 打印制备、无源传感、创面抗菌、药物缓释、人机交互五项功能，简化了器件的制备流程。

三、GACM 多功能协同作用机制

📊 压电离子无源自驱动人体运动传感机制 MXene 搭建连续导电通路，TOCNC 纳米晶形成压电响应单元；人体关节弯曲、肌肉收缩、脉搏震动产生的微小形变就能触发压电离子迁移，自主输出稳定电信号，不需要电池供电。可精准捕捉全身肢体运动以及脉搏、吞咽等微弱生理信号，传感灵敏度、信号重复性表现优异，适配长期穿戴的健康监测设备。

📊 pH 响应姜黄素缓释 + 广谱抗菌创面修复通路

1.广谱抗菌机制：MXene 纳米片物理破坏细菌细胞膜，和水凝胶基质协同抑制革兰氏阴阳菌增殖，大幅降低创面感染的概率；

2.pH 靶向释药机制：破损伤口呈弱酸性，酸性环境会破坏 GACM 内部氢键，让姜黄素快速释放；健康的中性皮肤环境下药物几乎不会泄露，避免药物浪费；

3.促创面再生机制：缓释的姜黄素可发挥抗氧化作用，调控创面炎症微环境，促进成纤维细胞增殖和血管新生，活体实验证实可明显缩短伤口愈合周期。

📊 无线人机交互、机器人实时控制逻辑 将 3D 打印 GACM 电子皮肤作为柔性传感终端，采集人体动作的压电信号，经转换模块无线传输到控制系统；人体手势、肢体动作的电信号可以实时同步映射到机器人执行端，实现远程操控机械臂、康复假肢，适用于软体机器人、运动康复领域。

📊 可降解性能体外验证 体液模拟降解实验证实 GACM 水凝胶可完全水解为小分子，不存在难降解残留；细胞实验验证降解产物没有明显毒性，适配一次性医用敷料的应用场景。

四、核心创新亮点

📌 双填料协同解决行业核心矛盾：TOCNC+MXene 共改性双网络结构，首次同时实现高精度直写 3D 打印成型和皮肤强粘附性能，攻克了长期存在的打印性-粘附性两难瓶颈； 

📌 压电离子无源自驱动传感：依托纳米复合压电效应实现无电源生理、运动信号采集，摆脱外接供电的限制，让设备更轻量化； 

📌 医用多功能一体化集成：单块电子皮肤同步实现广谱抗菌、pH 靶向姜黄素缓释、加速活体创面修复，融合了健康监测与伤口治疗功能； 

📌 全体系生物可降解设计：和硅基、不可降解导电高分子制备的电子皮肤不同，本材料制备的医用敷料废弃后可自然降解，绿色环保； 

📌 医用-机器人双场景通用：一套材料体系覆盖智能创面敷料、无线人机交互机器人控制两大应用方向，拓宽了柔性电子的应用边界。

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