具有各向异性的木质纤维素基多功能纤维素水凝胶，结合了硼离子动态特性，适用于可穿戴设备和结构传感应用

《Industrial Crops and Products》：Anisotropic wood cellulose-based multifunctional cellulosic hydrogel integrating boronic-ionic dynamics for wearable and structural sensing applications

　　宋文奇|卢庞|钱立伟|张宇昊|苗宗城|赵玉珍|卢斌|蓝春阳|王璐|瓦伦丁·尼卡
中国西安710123，西安石油化工学院材料与能源科学技术研究所（TIMES）液晶聚合物智能显示国家重点实验室，西安交通大学液晶聚合物基柔性显示技术国家重点实验室

**摘要**
源自木头的各向异性纤维素支架为构建用于柔性传感应用的多功能水凝胶提供了可持续的平台。在这里，我们制备了一种基于各向异性木质纤维素的复合水凝胶PAM-PIBPA/WCS，该方法通过在脱木质素的木支架（WCS）内原位聚合硼酸功能化的离子液体单体（VIBPA）与聚丙烯酰胺（PAM）网络来实现。VIBPA引入了可逆的硼酸酯键和丰富的非共价相互作用，增强了水凝胶与层次化纤维素框架之间的界面耦合。所得的PAM-PIBPA/WCS展现出明显的机械各向异性：沿木材纤维方向（纵向）具有高强度和模量，而横跨纤维方向（横向）则保持高柔顺性和延展性。同时，VIBPA的离子功能赋予了其高电导率（高达5.25 mS cm?1）、高效的自修复能力（约96%的恢复率）、强大的粘附力（在多种基底上为150–275 mN cm?1），以及强抗菌活性（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率超过99%），同时保持了细胞相容性、抗冻能力和保水性能。基于这种水凝胶的应变传感器表现出各向异性的机电敏感性（纵向GF 8.67，横向7.74），在循环变形下响应迅速且可逆，从而能够实现灵敏的运动监测（横向）和可靠的结构变形追踪（如蹦床动态）。这项工作展示了木材衍生纤维素的高价值利用策略，并为多功能生物基传感材料提供了可持续的制备途径。

**1. 引言**
随着智能设备、可穿戴技术和电子皮肤的快速发展，对柔性电子产品的需求显著增加（Kim等人，2024年；Lu等人，2024年）。为了满足这些需求，研究人员投入了大量努力开发具有柔性、生物相容性、高度水合性和功能可调性的水凝胶材料（Arwani等人，2024年；Shi等人，2024年）。然而，水凝胶通常存在机械强度低和尺寸稳定性差的问题，这些问题在反复循环变形下尤为严重（Meng等人，2024年）。受到肌肉、软骨和韧带等天然软组织的启发——这些组织具有有序且高度对齐的层次结构，能够结合方向性柔韧性、出色强度和机械稳定性（Volpi等人，2022年；Yang等人，2025年），许多研究试图在合成水凝胶中模仿这些结构。因此，生物启发的复合水凝胶已被广泛用于可穿戴传感器、人工电子皮肤和执行器（Dong等人，2023年；Dong等人，2024年；Hu等人，2024年；Hu等人，2025a；Hu等人，2025b；Lu等人，2025年；Sun等人，2025年）。

木材是一种典型的天然层次材料，其中细胞壁内的纤维素微纤维沿着生长方向呈螺旋排列，并具有特定的微纤维角度，形成了多级增强结构（Qian等人，2025年；Yang等人，2025年；Ye等人，2025年）。这种独特的结构赋予了木材优异的纵向强度和刚性，使其成为构建高性能复合水凝胶的有希望的增强支架（Wang等人，2024年；You等人，2025年）。此外，由于其固有的各向异性，基于木质纤维素的复合水凝胶表现出方向依赖的行为（Xiong等人，2023年；Yan等人，2022年）。当沿着纤维方向（纵向）加载时，复合材料表现出高强度和模量，但断裂应变有限，适用于需要机械稳定性的结构应变传感应用（Chen等人，2020a）。相比之下，当垂直于纤维方向（横向）加载时，它们表现出更大的延展性和灵活性，适用于人体运动传感场景（Yang等人，2025年）。这些特性不仅扩展了基于木质纤维素的复合水凝胶在智能传感和结构健康监测中的应用前景，也为设计高性能和可持续材料提供了新的灵感（Lin等人，2025年；Teng等人，2025年）。尽管在机械性能和功能性方面具有理论潜力，基于木质纤维素的水凝胶在结构设计和实际应用中仍面临重大挑战。主要困难在于木材的高刚性与人水凝胶基质的高柔韧性之间的内在不匹配（Chen等人，2020a；Koch等人，2023年；Liu等人，2024年；Liang等人，2024年；Wang等人，2021年）。当界面相互作用主要依赖于非共价力时，这种机械差异往往会导致循环应变下的界面粘附不足和相分离，从而削弱整体机械完整性和结构稳定性，最终限制了工程的可扩展性（Chen等人，2020b；Liang等人，2024年；Wang等人，2021年）。为了解决这个问题，提出了各种界面增强策略来改善两相之间的应力传递和结构稳定性。一般而言，这些策略可以分为三类：（i）结构互锁策略，通过表面粗糙化、蚀刻或多孔结构来创建机械锚定（Xu等人，2025a）；（ii）多非共价键策略，通过氢键、静电相互作用、金属配位或π–π堆叠来构建柔性连接（Jiang和Zhao，2025年；Shao等人，2017年；Ye等人，2025年）；以及（iii）共价键界面增强策略，在软和硬相之间引入反应性功能基团，以便在凝胶化过程中形成共价键，建立稳健的分子级耦合（Zhang等人，2025年）。前两种策略改进了界面兼容性，但仍受到有限的键合能量和环境不稳定性的限制，通常导致循环加载下的界面剥离。传统的共价 coupling 可以显著提高粘附强度，但通常需要复杂的表面修饰和引发程序，难以平衡结构完整性和制备简化。因此，最近的研究转向了基于动态共价键的界面耦合策略（Lei等人，2024年；Lian等人，2025年；Sun等人，2023年）。通过分子设计，将可逆的键交换基团引入系统，使得可以原位形成既强又具有适应性的化学网络。动态键的可重构性质确保了高界面粘附力，同时允许在变形下应力松弛和结构重排，从而有效缓解了刚性成分和软性成分之间的机械不匹配。

对于柔性传感器应用，基于木质纤维素的复合水凝胶不仅需要保持强劲的机械性能，还需要集成多种功能——高电导率、自修复能力、自粘附力、抗菌能力和保水性能（Yao等人，2024a）。然而，通过简单且可扩展的方法在单个系统中实现这些多功能仍是一个重大挑战。传统的多组分混合或多步骤修饰方法通常会导致结构复杂性、界面松弛和相分离，功能增强往往以牺牲机械强度和稳定性为代价（Xin和Hao，2014年）。因此，开发一种能够在分子层面同时调节网络结构和功能分布的集成构建策略至关重要，以实现多种属性的协同优化。

在这种背景下，功能化离子液体（IL）单体的分子设计为集成构建多功能基于木质纤维素的复合水凝胶提供了有前景的途径（Ru等人，2025年；Zang等人，2025年）。一个代表性的例子是基于咪唑的IL单体，它由可聚合的咪唑阳离子和可调的有机或无机阴离子组成，结合了IL的结构多样性和可聚合单体的反应性（Song等人，2025年；Yao等人，2022年）。这些单体由于阳离子的季铵（QAS）结构和离子盐特性，表现出优异的电导率、抗菌活性、保水能力和抗冻性能。例如，Zhao等人报道了由n-烷基咪唑IL单体合成的可拉伸聚（离子液体）/MXene有机凝胶（Zhao等人，2023年），其电导率为4.9 mS cm?1，并具有优异的抗冻性能——即使在?60 °C下也能保持弹性和稳定的电导率。同样，Fu等人开发了一种基于1-乙烯基-3-甲基尿嘧啶咪唑IL的水凝胶，其电导率为28.7 mS cm?1，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率超过99%，同时保持了优异的机械耐用性和水分稳定性（Fu等人，2024a）。此外，通过在其分子框架中引入可逆的共价位点，IL基单体可以赋予水凝胶网络稳定性和内在的自修复能力，因为动态键交换能够在变形过程中实现结构重构和能量耗散（Yao等人，2024b；Yao等人，2022年）。

受到天然植物组织各向异性结构的启发，这些结构在生长方向上具有显著的刚性，在横向方向上具有优异的柔韧性，本研究旨在开发一种用于应变传感应用的各向异性基于木质纤维素的复合水凝胶。为了克服聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶基质与木质纤维素支架（WCS）之间的界面不匹配，并实现多功能集成，设计并合成了一种硼酸功能化的离子液体单体1-乙烯基-3-(4-(硼酸)苯基)咪唑溴化物（VIBPA）。我们假设VIBPA引入的基于硼酸酯的可逆共价键能够在循环应变下实现动态界面重构，从而增强机械稳定性和自修复能力。同时，预计VIBPA的季铵结构和离子性质将为所得的PAM-PIBPA/WCS水凝胶赋予高电导率、抗菌活性、保水能力和抗冻性能。由于这种分子设计，所得的基于木质纤维素的复合水凝胶预计将表现出高灵敏度、宽应变范围和优异的循环稳定性，从而实现方向依赖的传感应用，如人体运动检测和结构应变监测。为了验证这些假设，通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）和X射线光电子光谱（XPS）对复合水凝胶的化学成分和形态进行了表征，并系统评估了它们的机械、电学、自修复和抗菌性能。最后，利用材料的固有各向异性，将PAM-PIBPA/WCS水凝胶应用于结构和人体运动监测，证明了在复杂应变条件下的稳定可靠响应。

**2. 实验部分**

**2.1. 材料**
天然轻木薄片（NBW，厚度约2 mm，Ochroma pyramidale，图S1）购自广州崎高轻木贸易有限公司（中国广州）。4-(2-溴乙基)苯基硼酸（BPBA）、1-乙烯基咪唑（VIM）、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺（TEMED）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。丙烯酰胺（AAm）和过硫酸铵（APS）购自Aladdin生化技术有限公司（中国上海）。其他试剂包括NaOH、NaClO?等在中国国内购买（详见支持信息）。

**2.2. 材料制备**

**2.2.1. 木质纤维素支架（WCS）的制备**
NBW用10 wt%的NaOH水溶液在70 °C下真空浸渍30分钟以去除半纤维素和部分木质素，然后用去离子水冲洗至中性。预处理的木材在2 wt%的NaClO?溶液（pH 4.6）中煮沸30分钟，通过真空辅助渗透完成脱木质化，随后用去离子水反复冲洗直至滤液无色且中性。所得的脱木质素木泡沫作为WCS存储在乙醇中以备进一步使用，部分样品冷冻干燥（图S2）用于纯度测量和结构表征。组成分析基于NREL协议（NREL/TP-510–42618）（Sluiter等人，2012年）进行的两阶段硫酸水解，结合酚类-硫酸测定法测定总碳水化合物（Dubois等人，1956年）和Klason木质素的重量测定（Shokri等人，2022年）进行。组成分析证实WCS的高纯度，其总碳水化合物含量为94.2 ± 1.3 wt%，Klason木质素含量为2.1 ± 0.6 wt%（经过灰分校正），确认为以纤维素为主的支架。详细程序见支持信息。

**2.2.2. 苯基硼酸功能化离子液体单体（VIBPA）的合成**
在氮气保护下，将BPBA（0.4297 g，2 mmol）溶解在15 mL乙酸中，然后逐滴加入VIM（0.226 mL，2.5 mmol）。混合物在70 °C下回流24小时。冷却后，用乙酸反复洗涤并在45 °C下真空干燥12小时，得到目标单体VIBPA的白色固体。VIBPA的化学结构通过质子核磁共振（1H NMR）确认，所有特征信号与预期结构一致（图S3）。

**2.2.3. PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的制备**
PAM-PIBPA/WCS水凝胶通过在室温下使用APS/TEMED引发系统进行一步原位氧化还原聚合来制备。将含有AAm、VIBPA和APS的前体溶液渗透到脱木质素的木支架（WCS）中，然后加入TEMED引发聚合。混合物倒入PTFE模具中并在室温下聚合形成PAM-PIBPA/WCS水凝胶。通过调整AAm/VIBPA的进料比例制备了不同VIBPA含量的水凝胶（0、5、10和20 wt%），其他制备条件保持不变。详细的进料组成见支持信息中的表S1。

**2.2.4. 基于PAM-PIBPA/WCS水凝胶的应变传感器的制备**
为了组装应变传感器，将制备好的PAM-PIBPA/WCS水凝胶用铜箔包裹作为电极，利用其内在的粘附性确保牢固接触而无需额外粘合剂。随后，将电极引线连接到铜箔上，并使用LCR仪表（TH2840A，中国通汇电子）在1V的交流电压和1kHz的频率下测量了水凝胶传感器的电阻。在不同机械刺激下记录实时电阻变化，以评估设备的传感性能。

2.3 结构与性能表征
2.3.1 物理化学表征
通过1H NMR光谱（AVANCE NEO 600 MHz，Bruker）验证了VIBPA的化学结构。PAM-PIBPA/WCS水凝胶的分子结构通过傅里叶变换红外光谱（FTIR，Bruker VERTEX 70）和X射线光电子能谱（XPS，AXIS Supra，Kratos，英国）进行分析。结晶结构通过X射线衍射（XRD，Rigaku Ultima IV，日本）进行表征，使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?）在40 kV和40 mA的条件下操作。通过热重分析（TGA，TA Instruments Q500，美国）在氮气氛围下以10 °C min?1的加热速率从室温加热到800 °C来评估热稳定性。冷冻干燥水凝胶的表面形态通过扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU8100）观察，而水合水凝胶的光学显微图则使用数字光学显微镜（Leica DVM6）获得。

2.3.2 PAM-PIBPA/WCS水凝胶的机械测量
在Instron 5967万能试验机（Instron Ltd., USA）上评估了水凝胶的机械性能，该试验机配备了500 N的负载传感器，并在室温下进行测试，详细的测试程序在支持信息中提供。矩形样品（5 × 15 mm2）以100 mm min?1的速率拉伸以获得应力-应变曲线。根据公式（S1）–（S3）计算应力（σeng, MPa）、应变（ε, %）和韧性（T, MJ·m?3）。进行了循环加载-卸载测试以量化机械滞后和自恢复性能。

2.3.3 PAM-PIBPA/WCS水凝胶的电导率测量
通过电化学阻抗谱（EIS）使用精密LCR仪表（TH2840A）评估了水凝胶的离子电导率，详细的测量条件在支持信息中提供。从Nyquist图中提取了体电阻，并根据公式（S4）计算了电导率（σ, S·m?1）。

2.3.4 应变传感性能测量
通过使用LCR仪表（TH2840A）在编程变形下记录实时电阻变化来评估PAM-PIBPA/WCS水凝胶的应变传感性能。根据公式（S5）计算了应变计系数（GF）。详细的测试条件，包括数据采集模式、仪器采样条件、瞬态响应/恢复分析和应变依赖的动态测量，在支持信息中提供。

2.3.5 膨胀、凝胶分数和长期稳定性测量
使用沿L和R方向切割的冷冻干燥样品评估了水凝胶的膨胀率（SR, %），并使用来自相同配方的L和R方向样本集确定了凝胶分数（Gf, %）。通过在25 °C和52% RH下储存期间跟踪水分保持率（Wr, %）来评估水凝胶的长期稳定性。实验细节在支持信息中提供，SR、Gf和Wr分别根据公式（S6）–（S8）计算。

2.3.6 抗菌活性测量
使用菌落计数方法评估了水凝胶对大肠杆菌（Escherichia coli，ATCC 25922）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，ATCC 6538）的抗菌活性，详细的方案在支持信息中提供。抗菌率（%）根据公式（S9）计算。

2.3.7 细胞相容性测量
通过MTT实验使用L929成纤维细胞评估了水凝胶的细胞相容性，完整的实验细节在支持信息中提供。根据公式（S10）计算细胞活力（V, %）。

2.3.8 黏附测试
使用Instron 5967万能试验机通过90°剥离测试测量了水凝胶在不同基底上的黏附强度（N m?1），完整的测试细节在支持信息中提供。黏附强度根据公式（S11）计算。

2.3.9 自修复测量
通过界面重连和修复后拉伸测试评估了水凝胶的自修复行为，完整的实验细节在支持信息中提供。修复效率根据公式（S12）计算。在不同的环境条件下进行了自修复测试，温度分别为25 °C/52% RH、25 °C/30% RH和4 °C/52% RH。

2.3.10 计算方法
使用Materials Studio中的spin-unrestricted DMol3模块进行了DFT计算，完整的计算细节在支持信息中提供。通过频率分析识别和验证了初始状态、过渡状态和最终状态（IS、TS和FS）。根据公式（S13）计算了每个状态的吉布斯自由能（G），并使用298.15 K时的G值获得了反应吉布斯自由能（ΔGrxn）和活化吉布斯自由能（ΔG?）。

2.3.11 统计分析
所有实验均重复三次，数据以平均值±标准差（SD）表示。使用单因素方差分析（one-way ANOVA）评估统计显著性，p < 0.05被认为是显著的。

3. 结果与讨论
3.1 PAM-PIBPA/WCS水凝胶的制备
受到天然木材分层结构的启发，这种结构在L方向（生长方向）具有高刚性，在R方向（横向）具有出色的灵活性，如图1a所示，通过在降解的木材支架（WCS）内原位氧化还原共聚硼酸官能化离子液体单体（VIBPA）和柔性基体形成单体（AAm），使用MBA作为交联剂，制备了共价交联的各向异性水凝胶（PAM–PIBPA/WCS）。对齐的纤维素微通道作为前体渗透和聚合物网络形成的受限路径（图1b）。VIBPA通过与纤维素二醇的可逆硼酸酯键合和芳香环间的π–π堆叠，以及其咪唑基团与纤维素和PAM骨架的氢键和离子-偶极相互作用，形成了一个动态耦合、协同强化的混合网络。同时，VIBPA的加入赋予了水凝胶多种功能，包括增强的导电性、弹性、粘附性、抗冻能力、保水性、抗菌活性和生物相容性，确保在多种复杂变形下的稳定传感性能（图1c）。这种分子-结构集成赋予了明显的各向异性机械行为，在纤维方向上具有高强度和模量，在横向方向上具有出色的延展性。得益于这种各向异性结构-功能的协同作用，PAM–PIBPA/WCS水凝胶有效地作为可穿戴应变传感器用于人类运动的监测，在R方向上，以及作为能够检测L方向宏观变形的坚固结构传感器。

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图1. PAM-PIBPA/WCS水凝胶的各向异性设计和传感应用的示意图。(a) 受天然木材启发的各向异性水凝胶的制备。(b) 具有可逆共价和非共价相互作用的硼酸-离子动态网络。(c) 用于可穿戴和结构监测的各向异性双模式传感。

3.2 PAM-PIBPA/WCS水凝胶的结构和形态表征
通过FTIR、XPS、XRD和TGA系统地表征了木材、降解木材（WCS）和PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的化学组成和结构特征。如图1a所示，天然木材的FTIR光谱显示了纤维素、半纤维素和木质素的特征峰，证实了木材基质的典型化学组成（详见讨论S1）（Chao等人，2020年；Pandey等人，1999年；Zhu等人，2023年）。降解后，木质素和半纤维素的特征峰显著减弱，证实WCS中非纤维素成分的有效去除。当形成PAM-PIBPA/WCS水凝胶时，在大约1678 cm?1和3211 cm?1处出现了与酰胺相关的特征吸收峰，分别对应于PAM网络的CO伸缩振动（酰胺I）和N–H伸缩振动，支持PAM在木材纤维素支架中的结合（Tang等人，2022年）。同时，–OH伸缩峰从3433 cm?1移动到3421 cm?1，表明纤维素纤维和聚合物网络界面间的氢键环境发生了改变（Fakraoui等人，2023年；Fu等人，2024b年；Li等人，2023年）。此外，在1410 cm?1和1342 cm?1出现了新的吸收峰，这些峰对应于VIBPA中硼酸单元的B–O和C–B伸缩振动（Yao等人，2022年），共同证实了最终水凝胶的成功形成。

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图1. 天然木材、降解木材（WCS）和PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的结构、组成和形态表征。(a) FTIR光谱，(b) XPS扫描光谱，(c) XRD图谱，(d–f) 数字照片，(g–i) 纵向截面的SEM图像（沿生长方向），(j–l) 横截面（垂直于生长方向）的SEM图像。

XPS光谱（图1b）进一步支持了这些结果。在原始木材和降解木材样品中仅检测到C 1s和O 1s信号（Ma等人，2023年），而在复合水凝胶中出现了两个额外的峰，分别在399.1 eV（N 1s）和193.5 eV（B 1s）（Jin等人，2025年；Zhang等人，2024年）。这些峰分别来自PAM的酰胺氮和与VIBPA单元相关的硼物种。为了更直接地证明界面硼的化学状态，进一步收集了高分辨率的B 1s XPS光谱（图S4，详细分析见讨论S2）。与没有WCS的对照样品PAM-PIBPA相比，PAM-PIBPA/WCS样品的B 1s信号向更高结合能区域（190.3–192.1 eV）移动，支持了水凝胶/纤维素界面处形成了硼酸酯键（Kumar等人，2026年；Woo等人，2020年）。这些XPS结果共同证实了功能聚合物网络成功结合到木材支架中。

此外，XRD图谱（图1c）显示了两个宽的衍射峰，分别位于16.8°和22.1°，对应于纤维素I的（101）和（002）平面（Liang等人，2024年）。降解后，WCS中的（200）反射强度显著增加，表明由于非晶木质素和半纤维素成分的去除，结晶度提高。相比之下，PAM-PIBPA/WCS水凝胶没有观察到明显的结晶峰，表明聚合物基质是非晶态的，并且离子液体组分在三维网络中均匀分布。此外，TGA曲线显示了这些样品之间的明显热分解行为。如图S5所示，PAM-PIBPA/WCS水凝胶显示了与木材和降解木材不同的三步重量损失模式，反映了结合水、PAM链和纤维素的顺序分解，从而证实了其作为柔性传感基质的良好热稳定性和结构完整性（详见讨论S3）。

如图1d,S1所示，轻质巴尔萨木材（Fig. 1d）被用作构建木材细胞支架（Fig. 1e,S2）的起始材料，随后制备了PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶（Fig. 1f）。原始的巴尔萨木材因木质素而呈现淡黄色，而降解后变为白色，证实了木质素成分的有效去除。在SEM图像中清晰地显示了木材在降解过程中的微观结构演变，无论是纵向（L方向）还是横向（R方向）截面。在未经处理的木材（Fig. 1g,j）中，纵向表面显示沿生长方向排列的紧密排列、壁平滑的导管，而横向截面显示出密集的蜂窝状结构，具有厚实的木质素结合的细胞壁和狭窄的腔隙。降解后（Fig. 1h,k），内部壁变得粗糙，纤维素的纤维结构暴露出来。细胞腔隙和细胞间空隙显著扩大，形成了开放且更具渗透性的结构。这些变化源于中间层和次生细胞壁的部分去除，形成了一个疏松的、亲水的、分层的支架，极大地促进了单体渗透和界面反应。基于图像的分析进一步证实了这种结构演变，显示纵向截面的角分散度从巴尔萨木材的10.62°降低到WCS的6.68°，而横向截面的孔隙面积分数从35.41%增加到56.76%（图S6a–d，表S2，讨论S4）。

在原位聚合后，PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的SEM图像（Fig. 1i,l）显示水凝胶网络已完全渗透到WCS中，填充了木材腔隙并覆盖了内部细胞壁。形成的结构是连续且紧凑的，没有明显的界面间隙，表明水凝胶基质与木材框架之间有强的界面兼容性和紧密的黏附。值得注意的是，PAM-PIBPA/WCS的纵向截面仍然显示出7.74°的低角分散度，表明聚合物渗透后保持了定向的木材支架；同时，Br元素映射进一步提供了VIBPA相关聚合物相已渗透到木材支架中的辅助证据（图S6e,f）。这种紧密的集成确保了在各向异性结构内的有效应力传递和结构稳定性。

总之，结构表征显示，在降解的木材支架内原位聚合VIBPA构建了一个多尺度集成的各向异性框架，其中分子级别的化学耦合和微观尺度的定向结构协同作用，为后续的机械强度和方向依赖的功能性能建立了结构和界面基础。PAM-PIBPA/WCS水凝胶的各向异性机械性能
机械性能是柔性水凝胶在传感和可穿戴电子器件中的关键因素（Lu等人，2025年）。出色的机械强度和柔韧性不仅确保了在复杂载荷条件下的结构完整性，还为稳定的应力响应行为提供了基础。如图2a所示，PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶表现出明显的各向异性变形行为。沿着纵向（L方向，与木纤维平行），水凝胶表现出显著的抗扭曲能力；而在径向（R方向，与纤维垂直），它可以被拉伸到较大的应变而不会发生结构破坏，显示出其优越的柔韧性和延展性。此外，该水凝胶沿L方向可承受1公斤的重量，沿R方向可承受500克的重量，且没有明显的裂纹或损伤，证实了其在两个方向上的优异承重能力和机械稳定性。这种各向异性机械行为源于木材支架中纤维素纤维的自然排列，这种排列加强了水凝胶网络的形成。

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图2. PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的各向异性机械性能。(a) 沿L方向和R方向水凝胶各向异性变形的示意图。(b,e) 应力-应变曲线，(c,f) 抗拉强度和弹性模量，以及(d,g) 不同VIBPA含量下水凝胶的应变和韧性（b–d为L方向，e–g为R方向）。(h) 可逆硼酸盐和多种非共价相互作用的示意图。(i) L方向的强度-韧性对比，(j) R方向的应变-模量对比，与已报道的基于木纤维素的水凝胶进行比较。含有10% VIBPA的水凝胶的循环拉伸测试（k）沿L方向，(l) 沿R方向。

为了系统研究功能性单体对机械性能的影响，评估了不同VIBPA含量（0–20% wt%）水凝胶的应力-应变行为和机械参数（L方向图2b–d，R方向图2e–f）。如图2c,f所示，随着VIBPA含量的增加，抗拉强度和弹性模量显著提高，这归因于由可逆硼酸盐共价键和非共价相互作用（如氢键和静电吸引）组成的多网络结构。在20% VIBPA含量时，复合水凝胶的抗拉强度达到52.3 MPa（L方向）和4.07 MPa（R方向），相应的弹性模量为4.7 MPa和89.2 kPa。

进一步分析图2d,g发现，随着VIBPA含量的增加，水凝胶的断裂伸长率在两个方向上均逐渐减小，反映出由于交联网络变密导致链流动性降低。相比之下，韧性先增加后减小，在10% VIBPA含量时达到最大值。在该组成下，断裂伸长率分别为28.6%（L方向）和83.4%（R方向），对应的韧性值约为8.60 MJ·m?3（L方向）和1.80 MJ·m?3（R方向）。图S7和讨论S5进一步揭示了这种韧性最优值的结构原因：随着VIBPA含量的增加，膨胀率减小而凝胶分数增加，表明网络形成和交联密度逐渐增强。这些结果与韧性演变（图2d,g）共同表明，10% VIBPA配方实现了网络完整性和链流动性之间的最佳平衡。这主要归因于引入了可逆硼酸盐酯键和多种非共价相互作用，这些作用在变形过程中协同促进能量耗散并提高了整体机械韧性（图2h）。作为对照，不含WCS的纯PAM-PIBPA水凝胶的抗拉强度仅为0.108 MPa，模量为3.02 kPa，韧性为0.63 MJ·m?3，尽管断裂伸长率为1257%（图S8），这突显了木材支架及其与聚合物网络的界面键合对机械增强以及复合水凝胶明显各向异性机械性能的关键贡献。

此外，与先前报道的各向异性木质水凝胶相比，如表S3所示，含有10% VIBPA的PAM-PIBPA/WCS水凝胶沿L方向表现出相对出色的强度、韧性和模量组合（图2i），同时具有适度的伸长率，使得在外部载荷下能够稳定传递应力。相比之下，R方向（图2j）表现出良好的延展性、超低模量以及平衡的强度和韧性，为人类运动传感提供了优异的顺应性和适应性。进一步与表S3中的代表性纤维素/纤维基和其他各向异性水凝胶进行比较，尽管这些系统 também 可以通过人工定向策略（如纤维排列、定向冷冻铸造或拉伸重塑/离子固定）实现方向依赖的机械增强或传感响应，但当前系统凭借直接继承自天然预组织多层木质支架的各向异性，并结合了硼酸-离子动态网络，从而明确了纵向承载能力和横向顺应性之间的结构划分。

选择含有10% VIBPA的水凝胶作为代表性样品，进行不同条件下的循环拉伸测试以评估其各向异性机械行为。如图2k所示，沿L方向（26%应变，60周期），应力-应变曲线迅速收敛并在整个60周期内几乎重叠，表明峰值应力衰减最小且抗疲劳性能优异。相比之下，沿R方向（80%应变，20周期，图2l），在初始周期观察到明显的应力松弛和较宽的迟滞现象，随后逐渐稳定。这些差异源于不同的承载机制。沿L方向，连续的纤维素纤维框架提供了有效的应力传递途径，而可逆硼酸盐键动态重组以缓解局部应力集中，确保稳定的循环性能。然而，沿R方向，脱木素的支架提供的纤维间粘附力有限，因此循环变形主要由PAM/PIBPA水凝胶网络支撑。结果，典型的聚合物网络的粘弹性松弛和Mullins型软化主导了响应，而动态硼酸盐交换部分恢复了网络配置，减轻了连续循环中的应力损失。

3.4. PAM-PIBPA/WCS水凝胶的电性能
为了评估其用于可穿戴应变传感的可行性，系统地检查了水凝胶的电性能。如图3a所示，水凝胶被用作导电互连以闭合一个简单电路。随着拉伸应变的增加，灯泡逐渐变暗，这与应变引起的电阻增加一致。这证实了连续的电解质传导和可读取的、依赖于应变的电阻变化，这是电阻式传感的先决条件。

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图3. 不同VIBPA含量的PAM-PIBPA/WCS复合水凝胶的电性能和传感性能。(a) 显示沿R方向拉伸状态下LED亮度变化的照片。(b, d) Nyquist图以及相应沿L方向（b, c）和R方向（d, e）的离子导电率。(c, e) 沿L方向（f）和R方向（g）的相对电阻变化（ΔR/R?）-应变曲线和感应系数（GF）。沿R方向（h）和L方向（i）在10%应变下的响应和恢复时间。沿R方向（j）和L方向（k）在不同拉伸率下的电响应。沿R方向在0–8%（l）和20–80%（m）应变范围内的传感性能，以及沿L方向在0–4%（n）和5–20%（o）应变范围内的传感性能。(p) 在40%应变下500个连续拉伸周期内ΔR/R?信号稳定的耐久性。

对处于平衡、未拉伸状态的水凝胶进行了电化学阻抗谱（EIS）分析，从Nyquist图的高频截距提取了体电阻，并使用样本几何形状计算了离子导电率（Xu等人，2020年）。如图3b,c所示，随着VIBPA含量从0增加到20% wt%，沿L方向的导电率从0.21 mS·cm?1增加到5.25 mS·cm?1，增加了25倍以上；而沿R方向的导电率从0.18 mS·cm?1增加到3.69 mS·cm?1（图3d,e），增加了20倍以上。这种导电率的提高主要归因于VIBPA的引入，其咪唑鎓阳离子和反离子增加了电荷载流子的浓度，并在水凝胶网络中形成了离子富集的路径，从而降低了内部电阻并提高了离子传输效率（Lebedeva等人，2024年；Yao等人，2024a年）。同时，脱木素木材支架的更高孔隙率及其丰富的暴露极性-OH基团有助于吸收和保留水合电解质，进一步改善了离子传输环境（Chen等人，2021年；Ye等人，2023年）。更重要的是，样品一致表现出显著的导电率各向异性（σL ≈ 1.4–1.7 × σR），反映了由脱木素木材支架引起的各向异性离子传输路径，在该路径中，沿L方向排列的微通道减少了传输 tortuosity并促进了离子迁移（图1h），而在R方向穿过细胞壁阵列的传输受到更大阻力（图1k）（Chen等人，2020c；Xu等人，2023年）。值得注意的是，纯PAM-PIBPA水凝胶的离子导电率（2.13 mS·cm?1）介于PAM-PIBPA/WCS的L方向（3.24 mS·cm?1）和R方向（1.89 mS·cm?1）之间，等效电路拟合进一步表明这种差异主要源于体电阻而非电极-水凝胶界面效应（图S9，表S4，讨论S6），表明复合水凝胶的电各向异性主要源于排列的木质微通道结构而非仅来自聚合物网络。

为了定量评估传感性能，记录了PAM-PIBPA/WCS水凝胶（10% VIBPA）的相对电阻变化（ΔR/R?）作为施加应变的函数，并从（ΔR/R?）-应变曲线的斜率得出感应系数（GF）（图3f,g）（Liu等人，2023年；Sun等人，2022年）。沿L方向，（ΔR/R?）在0–20%范围内随应变线性增加，得出GF ≈ 8.67。沿R方向观察到两个不同的线性区域：0–10%应变时GF ≈ 2.95，10–80%应变时GF ≈ 7.74。这些结果表明，在L方向小应变时具有高灵敏度，在R方向具有宽的线性工作窗口，突出了复合水凝胶的各向异性传感特性。相比之下，不含WCS的纯PAM-PIBPA水凝胶在低应变和高应变区域的GF值分别为1.33和2.86（图S10），证实了木材支架的加入显著提高了复合水凝胶的传感灵敏度。

为了进一步评估PAM-PIBPA/WCS水凝胶的动态传感行为，在两个方向上多个应变水平下检查了响应和恢复时间。对于R方向，5%、10%和20%应变下的响应和恢复时间分别为117/131、226/212和432/451 ms；而对于L方向，相应的值分别为46/52、88/98和178/188 ms（图3h,i，表S11和表S5）。测量的响应时间与相应的机械加载持续时间紧密匹配，所有值均在亚秒范围内，证明了水凝胶传感器的优异实时响应性和快速应变跟踪能力。此外，电输出在不同拉伸率下基本保持不变（图3j,k）。在40%应变（R）和4%应变（L）下，以25、50、75和100 mm·min?1的速率重复加载-卸载几乎产生了相同的ΔR/R?幅度，基线漂移很小，进一步证明了复合水凝胶在广泛变形率范围内的稳定动态传感性能。

水凝胶传感器还在不同应变幅度下进行了进一步测试以探索其工作范围（图3l–o）。无论变形大小如何，ΔR/R?信号保持单调、可逆和可重复，表明其在不同加载条件下的广泛操作范围和各向异性适应性。

耐久性是实际传感应用中的另一个关键参数。如图3p和图S12所示，PAM-PIBPA/WCS水凝胶在40%应变下经过500个连续拉伸循环后表现出出色的稳定性，湿度范围为30%、52%和80% RH。在整个测试过程中，ΔR/R?信号的幅度和波形几乎保持恒定，没有明显的衰减或基线漂移。相比之下，不含WCS的纯PAM-PIBPA水凝胶表现出明显的信号衰减和基线漂移（图S13）。PAM-PIBPA/WCS的这种优异耐久性可以归因于木材框架的结构支撑以及动态硼酸盐酯键的共同作用，它们共同维护了网络完整性，并确保在各种环境条件下的长时间循环变形下稳定的传感性能。

3.5. PAM-PIBPA/WCS水凝胶的抗菌活性和生物相容性
为了确保基于木质纤维素的可穿戴水凝胶传感器的长期可用性，其抗菌能力至关重要，因为它们的高水分含量和持续的皮肤接触会促进微生物生长和皮肤刺激（Lei等人，2021年）。使用标准菌落计数方法（Wu等人，2022年）对PAM-PIBPA/WCS水凝胶的抗菌活性进行了系统评估，采用革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌作为模型菌株。如图4a所示，对照组和PAM/WCS水凝胶在琼脂板上形成了密集的细菌菌落，表明其内在抗菌活性可以忽略不计。定量分析（图4b）显示，这两种细菌的抗菌率均低于5%。相比之下，加入VIBPA显著增强了抗菌效果，且这种增强是浓度依赖性的。当VIBPA含量达到10 wt%时，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率分别提高到97.2 ± 0.3%和98.1 ± 0.5%，而在20 wt%时进一步超过99%。增强的抗菌活性被认为源于咪唑基阳离子和苯硼酸基团的协同作用。基于咪唑的离子液体单元可能与带负电的细菌膜发生静电相互作用，破坏磷脂和蛋白质结构，从而影响膜完整性；而硼酸基团可能与细菌细胞壁或糖脂中的顺二醇成分形成可逆的硼酸酯，干扰细胞表面稳定性和代谢功能（图4c）。

为了评估生物安全性，使用L929成纤维细胞通过生死染色和MTT试验（Ghandour等人，2024年）来评价细胞相容性。如图4d所示，所有组别在5天内都支持细胞黏附和增殖，细胞分布均匀；从第1天到第5天，整体细胞密度增加，没有明显的形态异常。与这些观察结果一致，MTT试验（图4e）显示随着VIBPA含量的增加，细胞活力轻微下降且呈浓度依赖性；尽管如此，所有测试的水凝胶的细胞活力仍保持在ISO 10993非细胞毒性阈值70%以上，确认其适用于生物界面应用。因此，考虑到机械强度、导电性、抗菌效率和细胞相容性的综合表现，含有10 wt% VIBPA的PAM-PIBPA/WCS水凝胶被确定为最佳配方，并选用于后续研究。

PAM-PIBPA/WCS水凝胶的自愈合能力是其作为柔性纤维素基水凝胶的关键特性，因为它可以延长设备寿命，并确保在反复机械损伤下的可靠性能（Ke等人，2023年；Qing等人，2025年）。如图5a和b所示，沿L方向和R方向定向的矩形水凝胶样品分别用日落黄（sunset yellow）和罗丹明B（rhodamine B）染色，然后对半切割，在室温下无需外部压力即可重新连接以观察愈合界面。图5c和d中的光学观察显示，0分钟时存在明显的间隙，该间隙在5分钟内逐渐减小，30分钟后几乎消失，表明两个切割表面融合成连续界面。重新连接的样品形成了无可见裂纹的完整水凝胶条带。在L方向上，愈合后的样品能够承受500克的重压而不会断裂（图5e），而在R方向上，它可以垂直于切割平面自由拉伸而不会开裂（图5f），显示出宏观完整性和柔性的有效恢复。相比之下，不含WCS的纯PAM-PIBPA水凝胶在相同条件下无法自愈，轻轻拉伸时立即分离（图S14），表明PIBPA与纤维素二醇之间的动态硼酸酯键对于自愈能力至关重要。

在25°C/52%相对湿度（RH）条件下进行的定量力学测试（图5g-j）进一步证实了方向依赖性的愈合效率。沿L方向，断裂面垂直于对齐的纤维素纤维，导致纤维不可逆断裂；因此，愈合后的强度（约4.78 MPa）和伸长率（约2%）仅恢复到原始值的约10%。而在R方向上，断裂面平行于纤维排列，因此损伤主要发生在PAM-PIBPA水凝胶网络中，而不是木质支架中。动态硼酸酯和氢键可以快速重新形成，使得愈合强度约为3.55 MPa，恢复效率约为96%。在不同环境条件下的自愈性能进一步进行了研究（图S15）。在25°C/30% RH条件下，愈合效率保持在93.4%，表明即使在较低湿度下也能保持自愈能力。在4°C/52% RH条件下，愈合效率下降到53.1%，这可能归因于低温下分子链运动性的降低和硼酸酯交换动力学的减缓（Cromwell等人，2015年）。为了从分子层面了解这种动态键合机制，对硼酸功能化的PIBPA阳离子与纤维素二醇单元之间的缩合反应进行了DFT计算（图5k）。初始状态（IS）和最终状态（FS）的几何优化确定了一个产物最小值，对应于一个释放了水的硼酸酯加合物，该加合物被定义为该模型过程的最终状态（FS）。计算得到的反应自由能为ΔGrxn = -8.8 kJ/mol，表明硼酸酯的形成在热力学上是有利的，但只是轻微的放能反应，这与可逆但足够稳定的共价键合一致（Kang和Kalow，2022年）。同时，相应的自由能剖面（图5l）显示活化自由能为ΔG? = 68.9 kJ/mol，这与环境条件下硼酸-二醇动态交换的活化能障碍相符（Arzt等人，2014年）。这些计算共同支持了一个分子图景：在损伤和愈合过程中，界面B-O硼酸酯键可以反复断裂和重新形成，与周围的氢键相互作用共同作用，使得PAM-PIBPA/WCS水凝胶具备快速的网络重构和高愈合效率。

PAM-PIBPA/WCS水凝胶的黏附能力在各种刚性和柔性基底上进行了系统评估。如图6a所示，该水凝胶牢固地黏附在橡胶、陶瓷、聚丙烯、铝、玻璃、木材、PTFE和蓝宝石表面，显示出强大的界面适应性和通用黏附性（Lian等人，2025年；Yang等人，2025年）。图6b进一步展示了其在人体皮肤上的贴合性和稳定黏附性。当应用于手指关节时，水凝胶保持了紧密接触，并在45°和90°的弯曲运动中不会滑动或分层。此外，当黏附在皮肤上时，可以通过拉扯其自由端直接拉伸，而且在整个变形过程中始终牢固地黏附，显示出能够仅通过黏附力承受拉伸应变的强界面黏附性。

为了定量评估黏附强度，如图6c所示，进行了90°剥离测试。测得的黏附强度（图6d）在不同基底上介于150至275 mN cm?1之间，其中木材、玻璃和皮肤上的值较高。经过多次黏附-剥离循环后，水凝胶大部分保持了其黏附强度，几乎没有退化，证明了其优异的可重复使用性和抗疲劳性。这种广谱且持久的黏附性源于VIBPA单元与PAM网络的协同界面相互作用，它们共同提供了氢键、静电吸引、π–π相互作用和疏水效应。因此，PAM-PIBPA/WCS水凝胶在刚性和软质基底上都实现了坚固且可逆的黏附，同时适应动态变形，凸显了其在可穿戴电子设备、柔性传感器和人机界面应用中的强大潜力。

为了评估水凝胶在低温条件下的机械稳定性，在–40°C下对PAM/WCS和PAM-PIBPA/WCS水凝胶的R方向样品进行了拉伸和扭转测试（图6e）。传统的PAM/WCS水凝胶在冷冻后迅速变脆，并在拉伸载荷下立即断裂，而扭动的样品无法恢复形状，表明其机械完整性严重受损。相比之下，PAM-PIBPA/WCS水凝胶在–40°C下保持了显著的柔韧性，能够承受超过50%的拉伸应变和180°的螺旋扭转而不会出现裂纹。卸载后，水凝胶迅速恢复了其原始形状，显示出优异的低温弹性和形状恢复能力。此外，当PAM-PIBPA/WCS水凝胶连接到3 V电源以点亮LED（图6f）时，在–40°C下的拉伸、弯曲和扭转过程中保持了稳定的照明，证实了其离子传输通道和电功能的保持。这种优异的抗冻性能可能归因于VIBPA的协同分子效应：(i) 咪唑基阳离子及其反离子强烈溶解水并增加离子强度，从而降低自由水的活性，降低冰点并抑制冰核形成/生长；(ii) 悬挂的硼酸基团与水形成短暂的氢键复合物，进一步保留水分并抑制结晶；(iii) 动态硼酸酯键可能在零下温度下仍保持部分可交换性，这有助于在大变形过程中释放应力并分散能量。在常温（25°C，52% RH）条件下进一步评估了保水性能（图6g,h），比较了PAM/WCS和PAM-PIBPA/WCS水凝胶的R方向样品。传统的PAM/WCS水凝胶在储存过程中明显收缩，长度从15 mm减少到约12 mm，边缘轻微卷曲。相比之下，PAM-PIBPA/WCS水凝胶保持了其几何完整性，仅收缩约14 mm，表面形态光滑，表明其尺寸稳定性和保水性能更优。相应的重量保持曲线进一步显示，14天后PAM-PIBPA/WCS的质量损失仅为约10%，而PAM/WCS的质量损失超过45%。这种优异的保水能力归因于VIBPA中的亲水性咪唑基离子和硼酸基团，它们共同与水分子建立了密集的氢键网络，显著增强了水结合能并有效抑制了水分蒸发。

不同的传感场景对方向响应有不同的要求，各向同性传感器更适合于方向无关的信号输出，而各向异性传感器在需要区分不同变形模式或匹配不同传感功能时更有优势（Qiu等人，2025年；Xu等人，2025b年）。在这种情况下，可以根据PAM-PIBPA/WCS水凝胶的结构方向进行应用（见图1）：具有高伸展性和柔韧性的R方向样品适用于人体运动监测的可穿戴应变传感器，而具有更高强度和模量的L方向样品则更适合检测结构变形。如图7a所示，R方向的水凝胶传感器附着在手指上，用于记录在不同角度弯曲时的电阻变化。相对电阻（ΔR/R?）随着弯曲角度从30°增加到90°而成比例增加，在伸直后迅速返回基线，显示出快速响应和高灵敏度。当传感器被固定在手腕（图7b）和肘部（图7c）上时，也观察到了类似的行为，输出信号显示出与关节屈曲和伸展相对应的稳定、可重复的变化。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片。图7. 使用各向异性PAM-PIBPA/WCS水凝胶应变传感器实时监测人类和结构运动。在（a）手指、（b）手腕和（c）肘部弯曲过程中，R方向水凝胶的相对电阻变化。在（d）跳跃、（e）坐姿以及（f）行走/跑步过程中，膝关节的ΔR/R?反应。在（g）吞咽和（h）说话过程中检测到微妙的喉咙运动。（i）与L方向水凝胶传感器集成在一起的蹦床结构的照片。在（j）脚尖站立、（k）踏步、（l）躺下以及（m）在蹦床上跳跃过程中记录的实时ΔR/R?信号。

除了手和手臂的运动外，R方向水凝胶传感器还可以捕捉与下肢运动相关的信号。在跳跃（图7d）、坐姿-站立（图7e）和行走-跑步（图7f）过程中分别记录了不同的电阻模式。信号频率和波形的特征性差异使得能够清晰区分各种运动状态，从而证实了水凝胶传感器能够准确且实时地检测宏观身体运动。这些独特的响应波形进一步表明，传感器输出可能具有区分不同运动模式的潜力。

除了大规模运动外，该传感器还能够检测到微妙的生理活动，例如吞咽和说话时的喉咙运动。如图7g所示，当传感器固定在喉咙上时，R方向水凝胶会在每次吞咽事件时产生快速、明确的电阻变化。值得注意的是，即使是细微的发声动作也能产生可区分且可重复的信号模式（图7h）。可以识别出对应于不同单词（如“Sensor”、“SUST”和“Thank you”）的独特波形，这突显了水凝胶传感器对精细人体动作的高灵敏度和响应性。

此外，L方向水凝胶还被用来监测蹦床结构的动态变形行为，作为结构运动检测的代表性模型（图7i）。当蹦床表面在外力作用下变形时，沿框架径向固定的水凝胶传感器在两侧受到轻微的拉伸应变，相应的电阻变化（ΔR/R?）被实时记录下来。在不同的运动场景下获得了不同的电响应，包括脚尖站立（图7j）、踏步（图7k）、躺下（图7l）和跳跃（图7m），每种情况都会产生具有特征振幅-频率模式的独特电阻波形。这些信号使得能够清晰区分运动类型，并精确跟踪操作过程中的结构变形。这些结果表明，L方向水凝胶不仅可以实时监测结构组件的动态响应，还可以评估使用频率和机械应力演变。这一能力为运动安全监测、设备寿命评估以及智能体育系统和结构健康监测应用中的性能优化提供了宝贵的基础。

4. 结论

在这项工作中，通过将硼酸功能化的离子液体单体（VIBPA）在脱木质素化的木材支架内原位聚合，开发了一种各向异性和多功能性的基于木质纤维素的复合水凝胶。VIBPA的合理分子设计使得形成了动态的硼酸酯键和多种非共价相互作用，从而在水凝胶基质和天然木材框架之间建立了牢固的界面耦合。所得到的PAM-PIBPA/WCS水凝胶表现出明显的各向异性力学行为，沿纤维方向具有很高的强度和模量，同时保持优异的延展性和顺应性。VIBPA的加入还赋予了水凝胶显著的离子导电性、自愈合能力、粘附性、抗冻性和保湿性能，同时确保了抗菌效果和生物相容性。得益于这些协同特性，R方向水凝胶非常适合用于人体运动的可穿戴应变检测，而L方向水凝胶则能够可靠地捕捉结构组件的变形。本研究提供了一种分子工程策略，将动态键合、离子功能性和天然各向异性整合到单一的可持续平台上，同时也表明具有合适多孔结构的脱木质素化木材支架可能为构建先进的基于木质纤维素的水凝胶在柔性电子和结构健康监测领域提供更广泛的机会。

作者贡献声明
赵玉珍：监督、资源提供、项目管理。
缪宗诚：写作 - 审稿与编辑、资金筹集、概念构思。
张宇浩：研究、数据分析。
钱立伟：写作 - 审稿与编辑、项目管理、方法论、数据分析、概念构思。
卢光：研究、数据管理。
宋文奇：写作 - 初始草稿、方法论、资金筹集、概念构思。
尼卡瓦伦丁：写作 - 审稿与编辑、监督。
王璐：验证、数据管理。
兰春阳：验证、软件开发、数据分析。
卢斌：可视化、验证。