水凝胶柔性传感器在健康和运动监测方面具有广阔的应用前景。水凝胶传感器灵敏度较低，是制约其发展和应用的关键问题。设计和构筑仿生微结构是提高柔性传感器灵敏度、降低检测限的重要思路。微凝胶3D打印是构筑微结构的有效手段，但存在结构稳定性较差，打印效率低等问题。研究和开发快速、直接打印的微凝胶墨水，提高其机械性能，是解决水凝胶3D打印技术瓶颈，推动其在柔性可穿戴设备、组织工程等领域广泛应用的关键。
近日，中山大学付俊教授团队开发了一种基于微凝胶增强双网络水凝胶的3D打印策略，构筑微结构柔性传感器（图1），大幅度提高了传感灵敏度，并且获得了优异的强韧性，应用于生物力学监测和运动轨迹追踪。
该研究的主要创新思想是：以聚电解质微凝胶为基本单元和能量耗散中心，与第二网络形成互穿双网络结构，合成高强韧水凝胶。利用微凝胶-单体分散液可逆的凝胶-溶胶转变特性，实现了室温下直接挤出打印，然后紫外光固化，制备得到高强韧、稳定的微结构，从而解决了传统3D打印水凝胶流动性、可打印性与结构稳定性之间的矛盾，为3D打印高精度且稳定的微结构提供了新思路。
图1：基于微凝胶增强双网络水凝胶的3D打印微结构
该课题组以聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）微凝胶作为基本牺牲单元以耗散能量，与聚丙烯酸（AAc）第二网络互穿形成微凝胶增强双网络水凝胶，含水量高达65%时，拉伸强度可1.61 MPa，断裂韧性5.08 MJ/m³。3D打印水凝胶的机械性能与模板法制备的水凝胶完全一致，经利刃切割后仍保持结构完整（图2），解决了传统的3D打印水凝胶传感器机械性能差，结构与性能不稳定的难题。
图2：微凝胶增强双网络（MRDN）水凝胶的力学性能
微凝胶增强双网络水凝胶具有较好的传感灵敏度和出色的传感稳定性。基于这一优势，该课题组设计制造了用于监测足底生物力学特性的阵列式传感器。根据人体足骨骼分布，设计了一个具有八通道水凝胶传感器阵列的可穿戴鞋垫，监测步态过程中足底应力分布（图3），在健康监测和智能医疗设备中有着良好的应用前景。
图3. MRDN水凝胶用于生物力学及足部健康监测
3D打印的尖锐结构在低载荷下显著增加接触面积并发生应力集中，大幅提高灵敏度。如：微金字塔的压力灵敏度比圆柱结构提高了50倍（图4）。利用不同微结构传感器的灵敏度差异，设计了空间分布的微结构传感器阵列，通过传感器信号的实时变化，跟踪、定位小乌龟的爬行轨迹，在软机器人及柔性可穿戴电子设备方面具有广泛的应用前景。
该研究提供了一种通过可固化微凝胶3D打印来制备具有高灵敏度和力学稳定性的微结构水凝胶传感器的方法。这一新策略有望开发应用于可穿戴智能医疗设备的高性能水凝胶压力传感器。
该项研究以“3D Printed Microstructured Ultra-Sensitive Pressure Sensors Based on Microgel-Reinforced Double Network Hydrogels for Biomechanical Applications”为题发表在Materials Horizons。文章的第一作者是中山大学材料科学与工程学院2021级硕士研究生郑静霞和2021级博士研究生陈国旗，付俊教授为通讯作者。
