環境刺激響應水凝膠紡織品的研究與應用進展

Research and application progress of environmental response hydrogel textiles

摘要： 環境刺激響應水凝膠是一類由親水性聚合物通過交聯形成的三維網絡材料，能夠根據溫度、pH值、光照等環境變化動態調節自身結構與性能。本文總結了不同類型的刺激響應水凝膠（如熱響應、pH值響應、光響應等）的基本機制及關鍵特征，探討了其在紡織品領域的應用，包括溫度響應、pH值響應、光響應、電響應和磁響應水凝膠，展示了這些材料在創新性紡織品設計中的價值。水凝膠紡織品在舒適性、適應性、抗菌、阻燃、自修復及環保方面表現出優異性能，有望在未來智能服裝、健康監測、環境監控及軍事領域得到進一步拓展和應用。

關鍵詞： 水凝膠;環境刺激響應;智能紡織品;特效應用;響應原理;透氣性

中圖分類號： TS101.3; O648.17

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2025）02期數-0054起始頁碼-13篇頁數

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2025.02期數.007（篇序）

水凝膠由親水性聚合物通過物理或化學交聯形成的三維網絡結構組成，具有高度的吸水性和保水性^［1］。其基本原理是單體小分子通過化學反應形成聚合物大分子鏈，再通過交聯劑將其連接在一起形成三維網絡結構，使水分子在網絡中形成穩定的凝膠狀態^［2］。水凝膠的網絡結構可以通過調節交聯劑的類型和濃度、溶液的pH值和溫度等因素來控制。水凝膠的吸水性和保水性取決于其網絡結構的穩定性和孔隙結構的大小。較大的孔隙結構可以容納更多的水分子，從而使水凝膠具有更高的吸水性和保水性^［3］。

環境刺激響應水凝膠是一類能夠在特定環境刺激如溫度、pH值、光、電磁場及磁力作用下，相應地改變自身性質并顯示出顯著的物理或化學性質變化的高分子材料，使其在生物醫學、傳感器與控制器及智能材料領域等方面具有廣泛的應用前景^［4］。環境刺激響應水凝膠具有以下幾個主要特點：1） 感知能力，可以感知外界環境的變化，如溫度、pH值、光照等，并將這些信息轉化為相應的響應信號;2） 自適應性，可以根據外界環境的變化自動調整其結構和性能，以實現預定的功能;3） 可逆性，可以在外界刺激消失后恢復到原始狀態，實現可重復使用;4） 多功能性，可以同時具備多種功能，如傳感、控制、儲能等。在紡織領域，環境刺激響應水凝膠的應用開辟了制造具有自適應功能紡織品的新途徑，不僅提高了紡織材料的舒適性和實用性，還增加了其附加值。本文系統梳理了水凝膠的多種響應類型，深入分類并全面分析其在智能紡織品中的應用機制與實際效果。此外，還重點探討了水凝膠紡織品在舒適性、適應性及多功能性方面的表現與改進策略，并針對機械強度、穩定性和透氣性等瓶頸問題提出了優化方案。本文旨在為這一新興領域提供系統而全面的綜述，幫助研究人員和行業從業者深入了解環境響應水凝膠在紡織應用中的潛力，從而進一步推動智能紡織技術的創新與發展。

1"環境刺激響應水凝膠的分類

環境刺激響應水凝膠主要包括熱響應型、pH值響應型和光響應型三大類。溫度響應型水凝膠可以在特定溫度下發生相變，從而調節紡織品的透氣性和保溫性。pH值響應型水凝膠能夠根據皮膚的酸堿變化調整其結構，適用于敏感膚質的個體。光響應型水凝膠則能在光照的作用下改變顏色或透明度，適合用于制造變色服裝等。近年來，隨科技進步和應用需求不斷擴大，電場響應型和磁場響應型及多種響應相結合的環境刺激響應水凝膠也被相繼研發出來。本文通過詳細探討環境刺激響應型水凝膠的不同分類及其具體機制，并分析水凝膠紡織品在多個領域中的創新應用，展示這些高分子材料如何革新傳統紡織技術，從而為紡織品賦予智能化和高功能性的新生命。

1.1"熱響應型水凝膠

熱響應型水凝膠也稱為溫度敏感型水凝膠，具有在特定溫度（通常稱臨界溶解溫度，LCST）響應的能力。這種水凝膠在達到LCST時，其物理狀態會發生顯著變化，如從液態轉為凝膠態或從膨脹狀態轉為收縮狀態。這一特性歸因于水凝膠

中聚合物鏈段之間的相互作用，如氫鍵的形成與斷裂，以及疏水相互作用的變化。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）是最廣泛研究的熱響應型水凝膠材料之一，其在LCST（約32 ℃）附近表現出顯著的相變特性。在低于LCST時，PNIPAm表現為水溶性并處于膨脹狀態;當溫度超過LCST后，PNIPAm會迅速收縮并排斥水分。這一獨特的溫度響應行為使其在生物醫學和紡織領域獲得了廣泛的應用。

Pang等^［5］通過在N，N-亞甲基二丙烯酰胺（MBAA）交聯聚（N-異丙基丙烯酰胺-共丙烯酰胺）（P（NIPAAm-co-AM））網絡中引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/單寧酸（TA）/Fe³⁺交聯網絡，開發出了一種具有優異拉伸性、快速溫度響應性和良好導電性的雙網絡熱響應型離子導電水凝膠（圖1（a））。Zhao等^［6］制備了一種新型熱響應水凝膠，它具有雙重物理交聯網絡、可注射和自愈合特性，由ABA型三嵌段共聚物聚-b-（2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿）-b-（FPMA-co-DEGMA）制備而成。所制備的水凝膠臨界凝膠化溫度從35.5 ℃降到19.9 ℃，機械模量從21 Pa增加到1 411 Pa（圖1（b））。Choi等^［7］開發了一種用N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和聚乙烯醇（PVA）的互穿聚合物網絡（IPN）制成的可控藥物釋放的熱響應型皮膚再生水凝膠。該水凝膠具有溫度響應行為，其LCST約為34 ℃。加入PVA后，在低于34 ℃時水凝膠孔隙率增加，藥物釋放速度加快（圖1（c））。鄭勰等^［8］將利用靜電紡絲技術將自制N-異丙基丙烯酰胺和N-羥甲基丙烯酰胺共聚物制備納米纖維，再通過高速剪切將納米纖維分散在叔丁醇中形成納米短纖維溶液，最后經冷凍干燥和熱處理后組裝成具有穩定多級多孔結構的納米纖維水凝膠。當水介質溫度在20～55 ℃交替變化時它具有超快的溫度響應性，并具有溫度響應“開/關”控制釋放水溶性大分子藥物的性能（圖1（d））。這些研究成果展示了熱響應型水凝膠在科研和實際應用中的廣泛潛力，預示著這一材料在未來將有更多的創新應用。通過進一步探索和優化，熱響應型水凝膠有望在醫療、紡織和環境科技等多個領域實現革新。

1.2"pH值響應型水凝膠

pH值響應型水凝膠是一類能夠在pH值變化時改變其物理狀態的智能材料。這種水凝膠通常包含能夠離子化的官能團，如羧基（—COOH）和胺基（—NH2）。在酸性或堿性環境中，這些官能團的離子化狀態發生改變，導致水凝膠網絡的電荷分布變化，從而引起其體積膨脹或收縮。這種特性使得pH值響應型水凝膠在控制藥物釋放、生物傳感器和環境監測等領域具有重要應用。聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）是兩種常見的pH值敏感水凝膠材料。這些聚合物含有豐富的羧基，可以在不同pH值下發生質子化或去質子化反應，從而改變水凝膠的網絡結構和物理特性。Muhammad^［9］以亞甲二丙烯酰胺（MBA）為交聯劑，通過自由基聚合青蒿種子粘液/水凝膠（AVH）和丙烯酸（AA）單體，開發出一種新型pH響應型無毒水凝膠。在pH值為7.4時，AVH-co-AA的溶脹最大，藥物的釋放量最高。Mao^［10］在無須添加其他化學試劑的條件下，將原兒茶酸（PCA）和Fe³⁺在不同pH值條件下快速自組裝形成金屬酚網絡，然后加入海藻酸鈉（SA）制備SA/PCA/Fe水凝膠，在不同pH值下制備的SA/PCA/Fe水凝膠的結構存在顯著差異。且體外模擬消化實驗表明，SA/PCA/Fe水凝膠可控制花青素在模擬胃腸道中的釋放。

近年來，科研人員也在探索將pH值響應水凝膠與其他類型的響應材料結合，以創造多刺激響應系統。如通過開發兼具溫度敏感性和pH值敏感性的復合水凝膠，可實現對溫度和pH值變化的雙重響應。Hua等^［11］以N-異丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為單體，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，海藻酸鈉和腐植酸為填充生物大分子，通過簡單的自由基聚合反應制備了一種半互穿網絡水凝膠，其具有優異的吸水能力和pH值/熱雙響應性（圖2）。這對開發復雜的智能系統如智能包裝和多階段藥物遞送系統具有重要意義。鄭佳等^［12］采用NIPAm和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作為原料，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯劑，以自由基聚合原位獲得具有溫度/pH值雙刺激響應的特性的水凝膠。水凝膠中均勻分布的SDBS能夠有效增強凝膠與水分子之間的交聯，實現相當寬的線性溫度響應區間。該復合水凝膠在強酸性條件下表現出優異的pH值響應變色特性，其在智能響應變色材料中具有廣闊的應用前景。

1.3"光響應型水凝膠

光響應型水凝膠能夠在光照尤其是特定波長的光照作用下改變自身的物理或化學性質。這種水凝膠通常含有光敏感官能團或摻雜有光敏感分子，如偶氮苯、螺吡喃等，這些分子在光的照射下發生結構變化，從而引起整個水凝膠網絡的物理形態、溶解性能或機械性能的變化。

Zhang等^［13］以芳基吡唑修飾透明質酸（HA-AAP）、胍功能化β-環糊精（Guano-CD）和青石黏土（LP）為原料，構建了一種環保型光響應超分子多糖雜化水凝膠（HA-AAP-Guano-CD@LP）。通過協同主客體作用和靜電作用，可實現萘乙酸（NAA）和赤霉素（GA）等植物生長調節劑的控釋，促進大白菜和紫花苜蓿的生長。在釋放藥物后，水凝膠可通過離子與羧基之間的強絡合作用捕獲重金屬離子。Li等^［14］利用具有出色的伸展性和韌性的海藻酸鈉/聚丙烯酰胺（SA/PAAm）水凝膠作為模型系統，在含有Fe³⁺離子的水溶液中浸泡時，Fe³⁺-羧酸配位可形成分子開關，從而大大提高水凝膠網絡的交聯密度和模量。在紫外線照射下，Fe³⁺離子還原為Fe²⁺離子，配位的SA網絡解離，交聯密度和模量大大降低，溶脹性和表面潤濕性增加。Xue等^［15］通過自由基共聚制備了一種新型偶氮吡啶水凝膠，并研究了它對pH值和紫外線的多重響應行為，該水凝膠表現出在紫外線照射下可逆收縮。光響應型水凝膠憑借其在特定光照下迅速改變物理和化學性質的能力，展現出廣泛的應用前景，特別是在精確藥物遞送、智能窗戶、軟體機器人及環境監測與污染處理等領域。這些材料的多功能性和可調節性預示著它們在醫療、環保、智能材料和光學技術等多個領域將發揮重要作用，隨著科技進步，其應用范圍和效能將進一步擴展和優化。

1.4"電響應型水凝膠

電響應型水凝膠能夠在電場刺激下改變其體積或形狀。這類水凝膠通常含有可移動的帶電官能團或離子，當施加電場時這些帶電組分會遷移，導致整個聚合物網絡產生形狀或體積的變化。電響應水凝膠的這些變化是可逆的，使得它們在多次刺激下仍能保持穩定性和功能性。典型的電響應型水凝膠材料包括聚丙烯酸鈉（PAA-Na）和聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）。這些材料中含有大量可離子化的羧基或磺酸基，能在電場作用下進行離子交換和移動，從而引起水凝膠體積的顯著變化。

Ding等^［16］由I-卡拉膠（IC）和纖維素納米晶（CNC）混合

制成一種新型電響應水凝膠，可對周圍環境中的微弱電場刺激做出反應。通過比較不同電場下水凝膠的彎曲角度，IC/CNC混合水凝膠比純IC水凝膠具有更高的敏感性，在1 mV/cm電場下，混合水凝膠的最大彎曲角度仍為0.5°。Xiao等^［17］合成了1，1′-雙（2-磺酸基乙基）紫精（SEV）和1，1′-雙（3-磺酸基丙基）紫精（SPV）作為發色團，并與水、羧甲基纖維素鈉和1，1′-二茂鐵甲醇組成的電致變色水凝膠被用于制造一體化電致變色裝置。該水凝膠具有很高的循環穩定性，在10 000次循環后衰減2%，在8 000次循環后衰減1%，且具有出色的電致變色特性，因此有望實現用于智能窗戶等的環保型電致變色裝置。Ying等^［18］首次借助泡沫鎳構建了富含碳納米管（CNT）導電網絡和物理相型互穿網絡的水凝膠，該水凝膠顯示出卓越的導電性能，導電率高達1.82×10^-2"S/cm。Park等^［19］以碳納米管（CNT）為核心單元和電/熱導體，以殼聚糖（Chit）為外殼單元和親水性分散劑，并以聚（NIPAAm-co-BBVIm）（pNIBBIm）為藥物載體和溫度響應共聚物開發了電刺激和熱刺激響應三維水凝膠（圖3）。在電氣和熱開關開/關后收縮約30%的過程中，可輸送約37%的藥物，并展示了未來用于智能透皮給藥系統的最佳潛力。電響應型水凝膠由于其快速和精確的響應能力，在醫療、生物工程、軟體機器人及智能設備等領域表現出了顯著的應用潛力。隨著材料科學的進步和制造技術的發展，這些材料的應用范圍和效能預期將進一步擴展。

1.5"磁響應型水凝膠

磁響應型水凝膠可以在磁場的作用下改變其物理狀態，如形狀、體積或機械性能。這種水凝膠通常通過整合磁性納米顆粒（如Fe3O4或γ-Fe2O3納米顆粒）到水凝膠網絡中實現其磁響應特性。當施加外部磁場時，這些磁性顆粒會重新排列，從而引導整個水凝膠網絡的形變或運動，使水凝膠在磁場中具有良好的響應性和快速的動態調節能力。

Su等^［20］利用反相微乳液技術，制備作為磁共振成像（MRI）探針的氧化鐵納米粒子負載磁性葡聚糖納米水凝膠。預先合成了水溶性超順磁性氧化鐵納米晶體（Fe3O4），并將其物理摻雜到以反相W/O微乳液為納米反應器形成的含希夫堿葡聚糖納米凝膠中。Wei等^［21］基于逐層法探索了一種具有Fe3O4/共聚（異丙基丙烯酰胺-4-苯甲酰苯基丙烯酸酯）活性層和各向同性導電膠（ICA）被動層的各向異性雙層水凝膠致動器。Fe3O4納米粒子良好的光熱特性和磁導率為水凝膠致動器提供了精確的可遠程控制的光和磁致動特性。Chen等^［22］在MoS2納米片表面錨定熱敏PNIPAm和磁性Fe3O4納米粒子，開發出了具有磁性和光熱刺激響應的新型可編程各向異性材料。進一步將PNIPAm-MoS2/Fe3O4嵌入三維打印的水凝膠立方體中，得到了刺激響應構件，磁場可以精確控制它們的取向和近紅外（NIR）光吸收特性。盡管磁響應型水凝膠展示了巨大的應用潛力，但仍存在一些挑戰，如在保持高磁響應性的同時如何提高材料的機械強度和耐久性。未來的研究可能會集中在開發新型的磁性復合材料、提高磁響應型水凝膠的生物相容性，以及擴展其在智能裝置和環境監測中的應用。

2"環境刺激響應水凝膠紡織品在各領域中的特效應用

環境刺激響應型水凝膠紡織品因其能夠在特定環境變化下自動調節自身的性能或外觀，逐漸在多個行業中展現出不可替代的獨特價值。這些紡織品不僅具備智能響應功能，能夠根據外界環境的變化做出相應調整，還可以通過設計的優化來實現多樣化的應用。正因為這種高度的智能化和靈活性，環境刺激響應型水凝膠紡織品在生物醫學領域、柔性可穿戴設備、環境監測、功能性服裝等多個行業中，展現出了極大的應用潛力（圖4）。隨著科技和材料科學的不斷進步，這類紡織品的性能和功能還將不斷提升，有望在未來實現更為廣泛和深入的應用，不僅滿足現代社會對智能化產品的需求，還能推動相關產業的技術創新與發展。

2.1"生物醫用領域

水凝膠在生物醫用領域扮演著關鍵的角色，主要得益于其高度的水合性、良好的生物相容性及結構可調的機械性質。這些特性使水凝膠成為理想的生物材料，廣泛應用于藥物遞送系統、組織工程支架、傷口敷料和生物傳感器等領域。在藥物遞送中，水凝膠能夠提供受控的藥物釋放環境，優化治療效果并減少副作用;在組織工程中，其三維網絡結構模仿自然細胞外基質，支持細胞黏附和增殖，促進組織修復和再生;作為傷口敷料，水凝膠不僅保持傷口濕潤，還能有效吸收滲出物，加速愈合過程;而在生物傳感領域，水凝膠的高透水性和生物兼容性使其能夠整合生物識別元素，實現對各種生物標志物的敏感檢測。總之，水凝膠的這些獨特屬性和功能使其在生物醫用領域具有廣泛而深遠的應用前景。

2.1.1"藥物遞送

Shen等^［23］采用丙烯酰氯對β-CD進行改性，并進一步與NIPAm和AA共聚，得到PNIPAm-co-β-CD-AC。結果表明，PNIPAm/β-CD-AC的臨界相變溫度可控制在19 ℃，并在2～10 s內實現了快速的溶膠—凝膠相變。該水凝膠所攜帶的疏水性藥物在pH值5.5～8條件下可持續釋放6 d以上，持續時間可與傷口的恢復情況相匹配。作為一種水凝膠敷料，它的快速凝膠形成和反轉及剪切稀化特性可防止傷口二次損傷。這種基于β-CD的水凝膠還具有良好的生物相容性和抗氧化性，是傷口敷料的理想選擇，尤其適用于冬季暴露在外的傷口。

2.1.2"醫用敷料

Jiang等^［24］提出通過基于霍夫邁斯特效應的濕法紡絲技術制成基于新型明膠甘油水凝膠（glyhydrogel）纖維的水凝膠紡織敷料（圖5）。得益于獨特的針織結構，這種紡織敷料具有出色的透氣性（是市售3M敷料的1 800倍）和拉伸性（535.51%±38.66%）。此外，該水凝膠敷料還能承受零下80 ℃的極端溫度，顯示了在零度以下環境中的應用潛力。甘油的引入還賦予了織物敷料顯著的抗菌性能，并具有極佳的感染傷口愈合效果，此工作為水凝膠敷料的開發提供了一種新方法。Chen等^［25］將紫蘇多糖（BSP）與水性聚氨酯（WPU）結合，制備了一系列具有良好的抗壓強度、吸水性和保水能力，有利于傷口愈合的WPUB水凝膠。其抗壓強度為最高可達107 MPa，膨脹率為16.3，水汽透過率WVRT為2 013 g/m²/d，且保水時間長。此外，在體外生物相容性方面，WPUB4水凝膠的溶血率低至2.47%，羥基自由基清除率為35.5%，細胞毒性小，細胞存活率為101.4%。最重要的是，WPUB水凝膠敷料在促進傷口愈合方面表現出色。與傳統紗布相比，使用WPUB水凝膠敷料的小鼠的傷口表面積在術后第3天顯著縮小，第7天傷口愈合。新生皮膚的表皮更厚，毛細血管更多。表明含有BSP的WPUB水凝膠有望用作傷口敷料。

2.1.3"組織工程

Ding等^［26］介紹一種通過原位3D生物打印促進慢性糖尿病傷口愈合的MoS2加速膠凝水凝膠支架。將苯甲醛和氰乙酸酯基團官能化葡聚糖溶液與MoS2納米片簡單混合就能超快形成水凝膠，并可將這種混合物用作微流控三維生物打印墨水。此外，由于MoS2納米片的存在，打印出的MoS2水凝膠支架具有抗氧化和光熱抗菌特性。因此，通過在慢性糖

尿病傷口上直接打印支架，可觀察到傷口愈合加快，促進了傷口閉合，減輕了氧化應激，消除了細菌感染。這表明，MoS2加速膠凝水凝膠支架在慢性傷口管理方面具有重要價值。

2.2"可穿戴和傳感領域

在當今科技高速發展的時代，智能材料和柔性電子設備領域的進步正不斷推動著新一代科技產品的開發。特別是環境刺激響應水凝膠這類智能材料，在柔性可穿戴設備與能量存儲系統，如柔性超級電容器中的應用展示了其獨特的潛力和多功能性。環境刺激響應水凝膠因其能夠感知并適應外部環境變化（如溫度、pH值、濕度等）而被廣泛研究，這些材料的應用不僅限于醫療健康監測，更拓展到能量收集與存儲技術領域。

2.2.1"柔性傳感器

Li等^［27］通過簡便的濕法紡絲連續快速地制備由有機溶性聚酰亞胺鹽衍生的離子聚酰亞胺水凝膠纖維，得益于其富含離子的特性和堅固的骨架結構，所制備的離子聚酰亞胺水凝膠纖維具有21 mS/cm的優異導電性和出色的機械性能，拉伸強度達2.5 MPa，斷裂伸長率達215%。此外，制備的纖維還可以輕松編織成整體紡織品，具有良好的耐磨性能。因此，由聚酰亞胺水凝膠纖維組裝的簡易應變傳感器具有線性響應、高靈敏度和良好的循環穩定性，在各種復雜環境下的可穿戴柔性應變傳感器中具有巨大的應用潛力。Zaman等^［28］采用溶膠—凝膠法合成了海藻酸鈉導電水凝膠棉質無紡布，并使用了三種不同質量分數的海藻酸鈉（0.5%、1%和1.5%）和硝酸銀（5%、10%和15%）來分析它們對無紡布導電水凝膠性能的影響。含有1%質量的海藻酸鈉和15%質量的硝酸銀的復合材料的表面電阻率值最佳，低于100 Ω/m²。這種無紡布導電水凝膠有望用于智能傳感紡織品和其他技術紡織品中。

柔性離子電子器件在新型表皮電子器件方面具有巨大潛力。然而，大多數離子電子器件缺乏透氣性，這嚴重阻礙了其實際應用。在此，Xu等^［29］設計了一種具有兩種傳感功能（觸摸和應變）的可透氣剪折形狀的離子電子織物，將絲織物和剪折形狀離子水凝膠融為一體（圖6）。剪折形狀離子水凝膠與蓬松的絲織物相結合，使離子電子織物具有出色的透氣性和舒適性。此外，制成的離子電子織物還能精確地實現觸摸感應和應變感知功能。在觸摸感應方面，離子電子織物可根據離子場的中斷情況，在快速響應時間（3 ms）內檢測手指觸摸點的位置。在應變感應方面，已證明該技術具有較大的工作應變范圍（gt;100%）、不明顯的漂移（lt;0.78%）和長期穩定性（gt;10 000次循環）。在概念驗證中，設計了織物鍵盤和游戲控制套，以顯示觸摸和應變傳感功能。該離子電子織物突破了傳統可穿戴離子電子裝置的瓶頸，在未來的可穿戴表皮電子裝置中大有可為。

2.2.2"柔性超級電容器

Li等^［30］設計了一種高性能全固態超級電容器（ASC），采用石墨烯封裝的聚酯纖維負載聚苯胺作為柔性電極，細菌纖維素（BC）納米纖維增強聚丙烯酰胺作為水凝膠電解質。該電容器具有564 mF/cm²的高電容值、出色的速率能力、良好的能量/功率密度，更重要的是，它具有出色的機械性能，在反復彎曲后電容值不會明顯降低，從而證實了ASC在機械變形條件下的功能。這項工作展示了一種足夠堅固的儲能裝置的有效設計，在真正的可穿戴應用中顯示出巨大的潛力。

2.3"功能性服裝領域

環境刺激響應水凝膠在功能性服裝領域的應用正逐步展現出其關鍵性的技術優勢。這類智能材料不僅大幅提升了服裝在多變環境下的適應性和性能，還拓寬了服裝設計與應用的可能性，為穿戴者帶來更加舒適、健康和高度個性化的穿著體驗。通過整合環境響應水凝膠，服裝能夠實現溫度調節、濕度控制、光響應等多種智能功能，增強了服裝在不同環境中的性能表現。此外，水凝膠的應用還為健康監測與管理功能的集成提供了技術支持，使功能性服裝在滿足時尚需求的同時，成為促進健康生活方式的重要工具。隨著材料科學與智能技術的持續進步，環境刺激響應水凝膠有望進一步推動功能性服裝領域的技術創新，提供更加智能化、多功能化的解決方案。

2.3.1"阻燃性

Nie等^［31］開發了一種簡單的澆注策略，以SiO2同時作為交聯劑和阻燃劑來制備阻燃凝膠/紡織品復合材料（FR-GT）。由于PAAM/SiO2納米復合水凝膠被填充到紡織品中，在界面上形成了半穿透結構，因此制備的FR-GT的界面韌性達到272 J/m²。化學交聯劑（PEGDA）和物理交聯劑（SiO2）的存在限制了水凝膠溶脹后的體積膨脹。即使在高溫環境中，水凝膠的溫度也能保持在100 ℃以下，直到水分蒸發殆盡，可應用于阻燃手套和其他家用阻燃設備。

2.3.2"形狀記憶性

Luo等^［32］利用纖維拉伸技術制備了一種含有茶多酚（TPs）的PVA基水凝膠纖維，該纖維具有優異的機械性能和形狀記憶性能（圖7）。同時，由于采用了拉絲技術，PVA/TP水凝膠纖維的強度大幅提高，但斷裂伸長率仍能保持在較高水平。由于性能優異，用于縫合的水凝膠纖維在縫合速度和可靠性方面都取得了非常令人滿意的效果。因此，這種拉伸形狀記憶水凝膠纖維有望成為先進生物醫用紡織品和智能工程纖維的應用材料。

2.3.3"抗菌性

Azadeh等^［33］通過在棉織物上應用含有肉桂油的刺激響應型PNIPAAm/殼聚糖（PNCS）納米水凝膠來獲得芳香紡織品，經處理的織物在不同溫度下的抗菌活性表明，制備出了具有溫度響應性的新型功能性生物抗菌織物。Liu等^［34］開發了一種水凝膠敷料，水凝膠基質由具有優異機械性能的PVA和瓊脂糖雙網絡組成。水凝膠中添加了高效抗菌陽離子聚合物超支化聚賴氨酸（HBPL）和強抗氧化分子TA作為功能成分，因此該水凝膠具備高強度和韌性、抗腫脹、抗菌和抗氧化功能，且可以大規模生產并用于加速傷口愈合，同時可預防感染傷口中的增生性瘢痕。

2.3.4"自修復性

Andi等^［35］將自聚合改性NIPAm-co-GMA-IDA與含鑭系金屬共混制備高性能溫敏自修復水凝膠復合材料（圖8）。由于兩種鑭系金屬銪（Eu³⁺）和鋱（Tb³⁺）的配位穩定性不同，相應的材料表現出對激發波長、溫度和pH值的環境響應，從而產生不同的顏色。當用于織物時，材料的交聯機制有效地將材料環繞在織物纖維之間;此外，聚合物的溫度敏感性調節織物纖維之間的孔隙尺寸。在相對較高的溫度（gt;32 ℃）下，聚合物結構收縮，纖維孔隙擴大，透氣性提高。因此，這種復合水凝膠材料有望用于自修復功能紡織品領域。

2.3.5"智能變色

張帆等^［36］以納米纖維素、羧甲基纖維素為水凝膠基體，引入光致變色羥基螺吡喃化合物，將環氧氯丙烷作為交聯劑，制備新型纖維素基光致變色水凝膠。水凝膠中羥基與棉織物表面羥基縮合構筑光致變色表面，從而形成光致變色紡織面料。在紫外光及可見光照射下具有快速的光致變色響應性，在2～3 min實現快速著色褪色，其皂洗前后均可以保證10次以上可逆循環變色，為光致變色紡織品、新型光致變色整理劑的研究及實際生產提供理論基礎和技術路徑。

2.4"環境領域

水凝膠在環境領域的應用具有深遠的重要意義，其高度的適應性使得水凝膠在凈化污染水域、治理受污染土壤、監測環境質量及其變化，以及支持生態系統恢復和資源的可持續利用方面發揮了至關重要的作用。通過這些應用，水凝膠不僅有助于實現當前的環境保護目標，還促進了向更可持續和環境友好型社會的轉變。

2.4.1"吸附功能

紡織業是耗水量最大的生產行業之一，其未處理的廢棄物是生態污染的主要來源，包括有毒染料、重金屬及不可降解的物質，對環境造成嚴重威脅。水凝膠因其獨特的網絡結構，已被證明是一種極具潛力的染料吸附材料。其高吸水性使其能夠吸收并保持大量水分，有些類型的水凝膠甚至能吸收相當于自身重量數百倍的水。這一特性使水凝膠成為處理水溶液中溶解或分散污染物的理想選擇。水凝膠的孔隙大小和分布可以通過合成過程中的條件控制來調節，使得它們可以針對特定大小的分子進行定制吸附。這一特性對于從水體中選擇性移除污染物特別重要，如重金屬離子、有機污染物和生物毒素。水凝膠的獨特特性，如高吸水性、可調節的孔隙結構、可定制的化學功能性，以及良好的生物兼容性和生物降解性，使其成為在吸附領域極具前景的材料。這些特點使水凝膠在環保和資源回收方面展現出特別的應用潛力，能夠有效地應對如今世界面臨的水處理和環境凈化挑戰。

Azady等^［37］使用伽馬射線輻照法將PVA、AA和聚4-苯乙烯磺酸（PSSa）以不同的成分共聚成水凝膠。該水凝膠的高度多孔結構表現出優異的吸附能力和去除效率，不僅可以吸收并保留大量的水分，且可用于去除陽離子染料。Tesema等^［38］采用丙烯酸腐蝕劑和柑橘提取物作為交聯劑和單體，通過自由極端聚合法制備水凝膠，顯示出96.919%的高吸水性。該水凝膠具有晶體基質結構，有助于捕獲小分子，可用于去除紡織工業廢水中的亞甲基藍。Zeynep等^［39］用PVA和SA橋接生成交聯水凝膠，然后將天然沸石（clinoptilolite）顆粒均勻分布在聚合物基體中。通過吸附法測定沸石基水凝膠復合材料對實際含染料混合物紡織廢水的脫色潛力，其最佳色素去除率可達86%，吸附容量為166 Pt-Co/g。摻雜沸石的水凝膠顆粒可作為一種替代性的、環保的、低成本的吸附劑，用于去除含有染料的紡織工業廢水中的顏色。莫葉伶等^［40］以N，N，N-三甲基-3-（2-甲基烯丙酰氨基）-1-氯化丙銨和丙烯酰胺為功能單體，N，N，N，N-四甲基乙二胺為促進劑，過硫酸銨為引發劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，As（Ⅴ）陰離子為模板，制備出一種雙層離子印跡凝膠用于As（Ⅴ）陰離子的去除。在pH 9、環境溫度25 ℃、As（V）溶液質量濃度300 mg/L、吸附時間5 min時，水凝膠的最佳吸附量為48.47 mg/g，回收率在80%以上，有望用于痕量As（V）的快速檢測。

2.4.2"油水分離

石油泄漏和廢水排放每天都會發生，并帶來嚴重的環境挑戰。為了解決這些問題，人們廣泛開發了具有特殊潤濕性的分離材料。水凝膠是近年來研究的典型高分子材料，表現出優異的親水性和防污性能。

Suradi等^［41］通過將PNIPAAm光接枝到原始和功能化聚對苯二甲酸乙二酯（PET）表面，制備出了新型水凝膠改性紡織品。再通過水解和羧化對PET紡織品進行功能化處理，表面親水性更強，也更粗糙，并具有極佳的沾油轉換表面，在油水分離和智能紡織品方面具有巨大的應用潛力。Li等^［42］制備了一種低臨界凝膠質量分數（0.05%）的燈籠型分子結構芳烴基水凝膠，它可用于高效的油水分離。這種水凝膠具有可逆的pH值響應特性，可通過原位溶膠—凝膠轉化涂覆在不銹鋼網上，由此制成的網狀物具有出色的油水分離效率（大于99%）和通量（大于6×104 L/（m²·h））。這種燈籠芳烴基水凝膠拓展了基于大環分子水凝膠作為功能性界面材料的應用。Huang等^［43］提出了一種簡便有效的策略來制備多孔聚氨酯水凝膠（P-PUH），該水凝膠具有各種所需的特性，包括基材獨立性、水下超疏油性及良好的機械性能（圖9）。所制備的P-PUH具有超低的水下油黏附性能和優異的油水分離效率，對各種油水混合物，從含黏性油（泵油和花生油）到有機溶劑（正己烷、正十六烷和甲苯）的超高油水分離率達99.9%。此外，這種水凝膠即使暴露在各種惡劣條件下，包括酸性和堿性介質（pH0～14）及機械磨損，也能經久耐用。這種堅固的多孔水凝膠具有制備簡便、不依賴基底、重力驅動分離、防污特性、高耐久性及出色的分離通量和效率等特點，將有助于推動油水分離領域材料的設計和應用。

2.4.3"環境監測

在一些工業區，廢水的濫用排放導致海產品、糧食甚至飲用水受到嚴重的汞（Ⅱ）（Hg²⁺）污染。為了保護人們免受Hg²⁺污染食品和水的危害，許多操作簡便的固態熒光Hg²⁺傳感材料應運而生。Zhang等^［44］通過將原始濾紙/紡織纖維與Hg²⁺敏感熒光聚合物水凝膠原位交聯而制備了一種新型的基于柔性紙/紡織纖維的Hg²⁺離子薄膜化學傳感器。設計依賴于Hg²⁺和薄膜傳感器的接枝硫脲部分之間的特定化學反應來誘導可見的“綠到藍”顏色變化。具有便攜性、高靈敏度的特點，即使在復雜的現實水環境和食品系統中也能輕松檢測Hg²⁺。此外，為了便于現場檢測并確保安全操作，首次制造了堅固的可穿戴式Hg²⁺傳感手套，只需觸摸即可直觀地識別Hg²⁺污染的食品和水樣。該策略可以啟發未來構建更強大的可穿戴檢測設備，用于檢測其他重要的食品和水污染物。Wu等^［45］設計了一種基于多孔彈性體封裝水凝膠的氧氣傳感器，該傳感器在各種環境條件下均具有出色的室溫傳感性能，包括高精度（ppm級）、寬檢測范圍（從5 ppm到90%O2）、優異的重復性、選擇性、長期穩定性、透氣性和防水性。疏水性彈性體薄膜在很大程度上阻止了水分子的侵入和蒸發，使設備具有抗潮濕干擾能力，適用于水下操作。得益于水凝膠和彈性體薄膜固有的可拉伸性及其強大的界面黏合力，最終設備的拉伸應變可達100%。通過將傳感器與無線電路模塊集成，展示了一種用于實時監測健康和環境的可穿戴/便攜式氧傳感系統，實現了對呼吸頻率、組織氧、環境氧和溶解氧的及時、便捷的評估。Lu等^［46］報告了一種多合一水凝膠，使其能夠同時用作溫室的防霧涂層和環境監測器。這種策略包括構建松散交聯的親水網絡，其中富含游離離子和特定數量的甘油。這種由長鏈聚合物組成的透明水凝膠與溫室薄膜的內表面具有極佳的黏附性，并通過薄膜凝結作用顯著降低了薄膜的水接觸角，從而在不影響薄膜透明度的情況下增強了薄膜的防霧性能。同時，甘油和游離離子的存在使凝膠在顯示環境敏感傳導性的同時，還能維持較寬的溫度和濕度范圍，從而賦予凝膠與傳統剛性環境傳感器相同的功能。這項工作能為多功能智能溫室薄膜的開發提供一些啟發。

2.5"軍事與安全

水凝膠具有良好的生物相容性和濕潤性，能夠用于傷口的敷料，幫助促進傷口愈合，同時防止感染。在軍事戰場上，水凝膠敷料可以為受傷士兵提供緊急護理，減輕痛苦并加速恢復。水凝膠可以用于制造輕量化的防護材料，如防彈衣和防爆材料。其獨特的結構和性質使其在吸收和分散沖擊力方面具有優勢，從而增強了防護性能。

環境刺激響應水凝膠紡織品可以用于開發迷彩服裝，這種服裝能夠根據周圍環境的顏色和光線變化自動調整顏色，提高戰場上的偽裝能力^［47-48］（圖10）。同時，這些材料也可以用于制造能夠在特定化學或生物威脅出現時警告穿戴者的防護服。環境刺激響應水凝膠也可以作為智能傳感器的基礎材料，用于探測環境變化或生物信號^［49］。例如，水凝膠傳感器可以用來監測環境中的化學物質或生物標志物，從而提高軍事行動的安全性和效率^［50-51］。在極端環境條件下，環境刺激響應水凝膠能夠調節濕度和溫度，為軍事裝備和人員提供舒適的環境。這種應用特別適合用于軍用帳篷、衣物和其他裝備中^［52-53］。另外，環境刺激響應水凝膠也可以用于儲存和釋放能量，尤其是在戰場上需要快速響應的場景中。這些材料可以儲存化學能或機械能，并在需要時迅速釋放^［54-55］。

3"目前存在的難題及解決方法

水凝膠紡織品目前主要面臨機械強度和耐久性不足、水凝膠與紡織基材結合穩定性差和透氣性較差等問題。研究者仍在不斷努力探索解決方法，嘗試克服上述困難。近期研究在這些方面已取得顯著進展，為水凝膠紡織品在智能服裝、醫用敷料等領域的廣泛應用奠定了基礎。

對于由于水凝膠本身的機械性能較弱，導致其在紡織品中易損壞或失效，需通過引入納米顆粒或纖維素等增強材料來提升其強度^［56-57］。具有雙網絡的水凝膠目前有望成為柔軟而堅韌的紡織材料，因其特殊的交聯結構，通常表現出優異的機械性能。它由兩個互相交聯的聚合物網絡構成：一個剛性且易斷裂的脆性網絡和一個柔軟且高延展性的柔性網絡。通過這兩種網絡的協同作用，雙網絡水凝膠能夠在高應力下承受較大的變形，并在大幅度的拉伸或壓縮下展現出極高的韌性和強度。Wan等^［58］構建了基于天然殼聚糖分子的雙網絡水凝膠以增強機械性能，并將草藥天然產物大黃素負載到水凝膠中以改善敷料的愈合效果。通過席夫堿反應形成的殼聚糖—大黃素網絡結構和生物相容性的聚乙烯醇微晶網絡，賦予水凝膠優異的機械性能并確保其作為傷口敷料的完整性。對于水凝膠與紡織基材的結合力弱的難題，通常可通過化學交聯或特殊織造技術增強其穩定性。Khan等^［59］受蜘蛛絲超收縮行為的啟發，制備了一種可紡水凝膠，并將其涂覆在棉紗上后形成一種皮芯狀復合紗線。棉紗和水凝膠的極性基團之間的強氫鍵提供了出色的機械穩定性，捻線插入形成螺旋狀結構，表現出對水分響應的超收縮行為。該超收縮紗線可以重新拉伸到其原始長度，表現出可循環性，可用于構建智能紡織品，自適應不規則表面。Li等^［27］通過簡便的濕紡方法連續快速制備了一種離子聚酰亞胺水凝膠纖維。由于該纖維富含離子的特性和堅固的骨架結構，所獲得的離子聚酰亞胺水凝膠纖維具出色的機械性能，可以輕松編織成柔性織物。同時表現出優異的化學穩定性，可以耐受堿性條件和有機溶液等復雜環境，以及良好的導電性和優異的變形—導電靈敏度。

透氣性被認為是水凝膠紡織品的關鍵特性，尤其是在可穿戴或植入式服裝設備中，因為透氣性確保了與水凝膠紡織品接觸皮膚組織的兼容性、舒適性和健康性。Deng等^［60］采用同軸微流體打印來制造導電中空水凝膠纖維，通過精細調節所涉及流體的流速，可以精確控制中空水凝膠纖維內封閉微流體通道的尺寸和幾何形狀。將這些纖維編織成網狀二維結構，以形成柔軟、黏性、透氣且透氣的傳感紡織品。與固體水凝膠膜相比，該研究中編織結構紡織水凝膠具有更好的滲透性和透氣性。3D生物打印技術快速、高效地打印出形狀復雜甚至個性化定制的3D支架，并在微米尺度上精確調控其多孔結構，確保良好的透氣性。因此，Lin等^［61］通過利用簡單的3D生物打印方法，將新型魚皮脫細胞外基質（dECM）水凝膠微纖維紡制成絲狀，并打印成3D結構水凝膠傷口敷料，成功制備了一種新型功能性傷口愈合水凝膠紡織品。該水凝膠紡織品具有巨大的比表面積、豐富的納米孔隙和復雜的納米通道，能夠負載多種生物活性物質，同時具有良好的透氣性，在促進傷口愈合方面表現出優異性能。

4"結"語

環境刺激響應水凝膠紡織品的研究具有重要意義，傳統紡織品在功能性和智能響應能力上存在局限，而水凝膠不僅具有高度吸水性能和保水性能，且因其獨特的材料特性能夠為紡織品賦予多種智能響應功能。水凝膠材料可根據溫度、pH值、光照等外界環境變化自動調節自身結構，從而提升紡織品的舒適性、功能性及適應性。水凝膠與紡織品結合能夠賦予紡織品智能調節和多功能性，滿足醫療護理、運動防護、環境監測等領域的創新需求。同時，智能紡織品的發展符合現代社會對舒適性、健康性和個性化需求的追求，因此該領域的研究不僅能夠推動紡織品技術升級，還能開拓更多應用場景。

環境刺激響應水凝膠紡織品的研究充滿潛力和前景。隨著材料科學和制造技術的進步，水凝膠與紡織品的結合將實現更高效的環境響應能力和更久的耐用性。在智能服裝、可穿戴健康監測設備、自適應醫療敷料等領域，水凝膠紡織品將發揮重要作用。未來的研究還將進一步探索如何優化紡織品的舒適性、靈活性和生物相容性，同時開發低成本、可持續的生產工藝。此外，智能紡織品有望集成多種功能，如自修復、能源收集和實時數據傳輸，從而在醫療保健、運動、環境監測和國防等領域實現廣泛應用，推動智能紡織品進入日常生活。通過不斷探索更多創新應用場景，水凝膠紡織品將為智能化和可持續社會的發展提供強有力的技術支撐。

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Research and application progress of environmental response hydrogel textiles

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

JIA Jiru^1，2， YANG Ya¹， ZHANG Yuhao¹， WANG Zihan¹， LI Hong³

（1.School of Textile Garment and Design， Changshu Institute of Technology， Changshu 215500， China; 2.School of Materials Science and Engineering，South China University of Technology， Guangzhou 510641， China; 3.China Knitting Industrial Association， Beijing 100020， China）

Abstract：

Environmentally responsive hydrogels are a class of three-dimensional network structures formed by hydrophilic polymers through physical or chemical cross-linking. They can dynamically adjust their structure and function in response to environmental stimuli， such as temperature， pH， light， electric fields， and magnetic fields， showing significant application potential in the textile field. This paper systematically reviews the classification， response mechanisms， and application advantages of environmentally responsive hydrogels in textiles. According to their response type， these hydrogels are divided into thermal-responsive， pH-responsive， photo-responsive， electro-responsive， and magneto-responsive categories， each with distinct characteristics and mechanisms. Thermal responsive hydrogels exhibit phase transitions at a specific lower critical solution temperature （LCST）， making them valuable for temperature-regulating textiles. pH-responsive hydrogels adjust their structure based on pH changes， which is useful for textiles that contact sensitive skin. Photo-responsive hydrogels change color and transparency under light exposure， suitable for producing color-changing apparel. Additionally， electro-responsive and magneto-responsive hydrogels， with their reversible and rapid response properties， present new application opportunities for wearable sensors and smart electronic textiles.

The primary characteristics of environmentally responsive hydrogels include high water absorption， adaptability， reversibility， and multifunctionality. Their network structure allows for water and stimuli penetration， causing the materials to swell or contract， which provides excellent breathability and comfort for specific applications. Hydrogel-based textiles not only perform well in comfort and functionality but also exhibit outstanding antibacterial， flame-retardant， self-healing， and eco-friendly properties. Given these unique features， stimulus-responsive hydrogel textiles show broad application potential in smart wearables， health monitoring， environmental sensing， and military equipment.

In smart textiles， typical applications of stimulus-responsive hydrogel textiles include flexible sensors and smart color-changing materials. Flexible sensors enable real-time monitoring of temperature， humidity， or pH changes， useful in health monitoring and medical dressings， while photo-responsive hydrogel-based color-changing textiles have significant applications in sportswear and safety indicators. Furthermore， hydrogel textiles demonstrate excellent antibacterial and flame-retardant properties in functional clothing， offering enhanced safety protection for military or industrial settings. Self-healing hydrogel textiles can automatically restore their structure and functionality after damage， extend service life and reduce resource waste， which holds important significance for sustainable development.

Although environmentally responsive hydrogel textiles demonstrate tremendous development potential across multiple fields， challenges remain in terms of mechanical strength， stability， and breathability. Researchers are enhancing hydrogel textile performance through the introduction of nano-reinforcement materials， dual-network structures， and optimized cross-linking methods. In addition， the application of 3D printing technology has further expanded the structural complexity of hydrogel textiles， achieving significant progress in adaptability and functionality. In the future， environmentally responsive hydrogel textiles will drive innovation in textile development in response to the growing demand for smart and personalized products， meeting modern society’s needs for comfort， health， and environmental friendliness.

Key words：

hydrogel; environmentally responsive; smart textiles; specific applications; response mechanisms; air permeability