环境刺激响应水凝胶纺织品的研究与应用进展

Research and application progress of environmental response hydrogel textiles

摘要： 环境刺激响应水凝胶是一类由亲水性聚合物通过交联形成的三维网络材料，能够根据温度、pH值、光照等环境变化动态调节自身结构与性能。本文总结了不同类型的刺激响应水凝胶（如热响应、pH值响应、光响应等）的基本机制及关键特征，探讨了其在纺织品领域的应用，包括温度响应、pH值响应、光响应、电响应和磁响应水凝胶，展示了这些材料在创新性纺织品设计中的价值。水凝胶纺织品在舒适性、适应性、抗菌、阻燃、自修复及环保方面表现出优异性能，有望在未来智能服装、健康监测、环境监控及军事领域得到进一步拓展和应用。

关键词： 水凝胶;环境刺激响应;智能纺织品;特效应用;响应原理;透气性

中图分类号： TS101.3; O648.17

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2025）02期数-0054起始页码-13篇页数

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

水凝胶由亲水性聚合物通过物理或化学交联形成的三维网络结构组成，具有高度的吸水性和保水性^［1］。其基本原理是单体小分子通过化学反应形成聚合物大分子链，再通过交联剂将其连接在一起形成三维网络结构，使水分子在网络中形成稳定的凝胶状态^［2］。水凝胶的网络结构可以通过调节交联剂的类型和浓度、溶液的pH值和温度等因素来控制。水凝胶的吸水性和保水性取决于其网络结构的稳定性和孔隙结构的大小。较大的孔隙结构可以容纳更多的水分子，从而使水凝胶具有更高的吸水性和保水性^［3］。

环境刺激响应水凝胶是一类能够在特定环境刺激如温度、pH值、光、电磁场及磁力作用下，相应地改变自身性质并显示出显著的物理或化学性质变化的高分子材料，使其在生物医学、传感器与控制器及智能材料领域等方面具有广泛的应用前景^［4］。环境刺激响应水凝胶具有以下几个主要特点：1） 感知能力，可以感知外界环境的变化，如温度、pH值、光照等，并将这些信息转化为相应的响应信号;2） 自适应性，可以根据外界环境的变化自动调整其结构和性能，以实现预定的功能;3） 可逆性，可以在外界刺激消失后恢复到原始状态，实现可重复使用;4） 多功能性，可以同时具备多种功能，如传感、控制、储能等。在纺织领域，环境刺激响应水凝胶的应用开辟了制造具有自适应功能纺织品的新途径，不仅提高了纺织材料的舒适性和实用性，还增加了其附加值。本文系统梳理了水凝胶的多种响应类型，深入分类并全面分析其在智能纺织品中的应用机制与实际效果。此外，还重点探讨了水凝胶纺织品在舒适性、适应性及多功能性方面的表现与改进策略，并针对机械强度、稳定性和透气性等瓶颈问题提出了优化方案。本文旨在为这一新兴领域提供系统而全面的综述，帮助研究人员和行业从业者深入了解环境响应水凝胶在纺织应用中的潜力，从而进一步推动智能纺织技术的创新与发展。

1"环境刺激响应水凝胶的分类

环境刺激响应水凝胶主要包括热响应型、pH值响应型和光响应型三大类。温度响应型水凝胶可以在特定温度下发生相变，从而调节纺织品的透气性和保温性。pH值响应型水凝胶能够根据皮肤的酸碱变化调整其结构，适用于敏感肤质的个体。光响应型水凝胶则能在光照的作用下改变颜色或透明度，适合用于制造变色服装等。近年来，随科技进步和应用需求不断扩大，电场响应型和磁场响应型及多种响应相结合的环境刺激响应水凝胶也被相继研发出来。本文通过详细探讨环境刺激响应型水凝胶的不同分类及其具体机制，并分析水凝胶纺织品在多个领域中的创新应用，展示这些高分子材料如何革新传统纺织技术，从而为纺织品赋予智能化和高功能性的新生命。

1.1"热响应型水凝胶

热响应型水凝胶也称为温度敏感型水凝胶，具有在特定温度（通常称临界溶解温度，LCST）响应的能力。这种水凝胶在达到LCST时，其物理状态会发生显著变化，如从液态转为凝胶态或从膨胀状态转为收缩状态。这一特性归因于水凝胶

中聚合物链段之间的相互作用，如氢键的形成与断裂，以及疏水相互作用的变化。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）是最广泛研究的热响应型水凝胶材料之一，其在LCST（约32 ℃）附近表现出显著的相变特性。在低于LCST时，PNIPAm表现为水溶性并处于膨胀状态;当温度超过LCST后，PNIPAm会迅速收缩并排斥水分。这一独特的温度响应行为使其在生物医学和纺织领域获得了广泛的应用。

Pang等^［5］通过在N，N-亚甲基二丙烯酰胺（MBAA）交联聚（N-异丙基丙烯酰胺-共丙烯酰胺）（P（NIPAAm-co-AM））网络中引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/单宁酸（TA）/Fe³⁺交联网络，开发出了一种具有优异拉伸性、快速温度响应性和良好导电性的双网络热响应型离子导电水凝胶（图1（a））。Zhao等^［6］制备了一种新型热响应水凝胶，它具有双重物理交联网络、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胆碱）-b-（FPMA-co-DEGMA）制备而成。所制备的水凝胶临界凝胶化温度从35.5 ℃降到19.9 ℃，机械模量从21 Pa增加到1 411 Pa（图1（b））。Choi等^［7］开发了一种用N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和聚乙烯醇（PVA）的互穿聚合物网络（IPN）制成的可控药物释放的热响应型皮肤再生水凝胶。该水凝胶具有温度响应行为，其LCST约为34 ℃。加入PVA后，在低于34 ℃时水凝胶孔隙率增加，药物释放速度加快（图1（c））。郑勰等^［8］将利用静电纺丝技术将自制N-异丙基丙烯酰胺和N-羟甲基丙烯酰胺共聚物制备纳米纤维，再通过高速剪切将纳米纤维分散在叔丁醇中形成纳米短纤维溶液，最后经冷冻干燥和热处理后组装成具有稳定多级多孔结构的纳米纤维水凝胶。当水介质温度在20～55 ℃交替变化时它具有超快的温度响应性，并具有温度响应“开/关”控制释放水溶性大分子药物的性能（图1（d））。这些研究成果展示了热响应型水凝胶在科研和实际应用中的广泛潜力，预示着这一材料在未来将有更多的创新应用。通过进一步探索和优化，热响应型水凝胶有望在医疗、纺织和环境科技等多个领域实现革新。

1.2"pH值响应型水凝胶

pH值响应型水凝胶是一类能够在pH值变化时改变其物理状态的智能材料。这种水凝胶通常包含能够离子化的官能团，如羧基（—COOH）和胺基（—NH2）。在酸性或碱性环境中，这些官能团的离子化状态发生改变，导致水凝胶网络的电荷分布变化，从而引起其体积膨胀或收缩。这种特性使得pH值响应型水凝胶在控制药物释放、生物传感器和环境监测等领域具有重要应用。聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）是两种常见的pH值敏感水凝胶材料。这些聚合物含有丰富的羧基，可以在不同pH值下发生质子化或去质子化反应，从而改变水凝胶的网络结构和物理特性。Muhammad^［9］以亚甲二丙烯酰胺（MBA）为交联剂，通过自由基聚合青蒿种子粘液/水凝胶（AVH）和丙烯酸（AA）单体，开发出一种新型pH响应型无毒水凝胶。在pH值为7.4时，AVH-co-AA的溶胀最大，药物的释放量最高。Mao^［10］在无须添加其他化学试剂的条件下，将原儿茶酸（PCA）和Fe³⁺在不同pH值条件下快速自组装形成金属酚网络，然后加入海藻酸钠（SA）制备SA/PCA/Fe水凝胶，在不同pH值下制备的SA/PCA/Fe水凝胶的结构存在显著差异。且体外模拟消化实验表明，SA/PCA/Fe水凝胶可控制花青素在模拟胃肠道中的释放。

近年来，科研人员也在探索将pH值响应水凝胶与其他类型的响应材料结合，以创造多刺激响应系统。如通过开发兼具温度敏感性和pH值敏感性的复合水凝胶，可实现对温度和pH值变化的双重响应。Hua等^［11］以N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为单体，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，海藻酸钠和腐植酸为填充生物大分子，通过简单的自由基聚合反应制备了一种半互穿网络水凝胶，其具有优异的吸水能力和pH值/热双响应性（图2）。这对开发复杂的智能系统如智能包装和多阶段药物递送系统具有重要意义。郑佳等^［12］采用NIPAm和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为原料，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为交联剂，以自由基聚合原位获得具有温度/pH值双刺激响应的特性的水凝胶。水凝胶中均匀分布的SDBS能够有效增强凝胶与水分子之间的交联，实现相当宽的线性温度响应区间。该复合水凝胶在强酸性条件下表现出优异的pH值响应变色特性，其在智能响应变色材料中具有广阔的应用前景。

1.3"光响应型水凝胶

光响应型水凝胶能够在光照尤其是特定波长的光照作用下改变自身的物理或化学性质。这种水凝胶通常含有光敏感官能团或掺杂有光敏感分子，如偶氮苯、螺吡喃等，这些分子在光的照射下发生结构变化，从而引起整个水凝胶网络的物理形态、溶解性能或机械性能的变化。

Zhang等^［13］以芳基吡唑修饰透明质酸（HA-AAP）、胍功能化β-环糊精（Guano-CD）和青石黏土（LP）为原料，构建了一种环保型光响应超分子多糖杂化水凝胶（HA-AAP-Guano-CD@LP）。通过协同主客体作用和静电作用，可实现萘乙酸（NAA）和赤霉素（GA）等植物生长调节剂的控释，促进大白菜和紫花苜蓿的生长。在释放药物后，水凝胶可通过离子与羧基之间的强络合作用捕获重金属离子。Li等^［14］利用具有出色的伸展性和韧性的海藻酸钠/聚丙烯酰胺（SA/PAAm）水凝胶作为模型系统，在含有Fe³⁺离子的水溶液中浸泡时，Fe³⁺-羧酸配位可形成分子开关，从而大大提高水凝胶网络的交联密度和模量。在紫外线照射下，Fe³⁺离子还原为Fe²⁺离子，配位的SA网络解离，交联密度和模量大大降低，溶胀性和表面润湿性增加。Xue等^［15］通过自由基共聚制备了一种新型偶氮吡啶水凝胶，并研究了它对pH值和紫外线的多重响应行为，该水凝胶表现出在紫外线照射下可逆收缩。光响应型水凝胶凭借其在特定光照下迅速改变物理和化学性质的能力，展现出广泛的应用前景，特别是在精确药物递送、智能窗户、软体机器人及环境监测与污染处理等领域。这些材料的多功能性和可调节性预示着它们在医疗、环保、智能材料和光学技术等多个领域将发挥重要作用，随着科技进步，其应用范围和效能将进一步扩展和优化。

1.4"电响应型水凝胶

电响应型水凝胶能够在电场刺激下改变其体积或形状。这类水凝胶通常含有可移动的带电官能团或离子，当施加电场时这些带电组分会迁移，导致整个聚合物网络产生形状或体积的变化。电响应水凝胶的这些变化是可逆的，使得它们在多次刺激下仍能保持稳定性和功能性。典型的电响应型水凝胶材料包括聚丙烯酸钠（PAA-Na）和聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）。这些材料中含有大量可离子化的羧基或磺酸基，能在电场作用下进行离子交换和移动，从而引起水凝胶体积的显著变化。

Ding等^［16］由I-卡拉胶（IC）和纤维素纳米晶（CNC）混合

制成一种新型电响应水凝胶，可对周围环境中的微弱电场刺激做出反应。通过比较不同电场下水凝胶的弯曲角度，IC/CNC混合水凝胶比纯IC水凝胶具有更高的敏感性，在1 mV/cm电场下，混合水凝胶的最大弯曲角度仍为0.5°。Xiao等^［17］合成了1，1′-双（2-磺酸基乙基）紫精（SEV）和1，1′-双（3-磺酸基丙基）紫精（SPV）作为发色团，并与水、羧甲基纤维素钠和1，1′-二茂铁甲醇组成的电致变色水凝胶被用于制造一体化电致变色装置。该水凝胶具有很高的循环稳定性，在10 000次循环后衰减2%，在8 000次循环后衰减1%，且具有出色的电致变色特性，因此有望实现用于智能窗户等的环保型电致变色装置。Ying等^［18］首次借助泡沫镍构建了富含碳纳米管（CNT）导电网络和物理相型互穿网络的水凝胶，该水凝胶显示出卓越的导电性能，导电率高达1.82×10^-2"S/cm。Park等^［19］以碳纳米管（CNT）为核心单元和电/热导体，以壳聚糖（Chit）为外壳单元和亲水性分散剂，并以聚（NIPAAm-co-BBVIm）（pNIBBIm）为药物载体和温度响应共聚物开发了电刺激和热刺激响应三维水凝胶（图3）。在电气和热开关开/关后收缩约30%的过程中，可输送约37%的药物，并展示了未来用于智能透皮给药系统的最佳潜力。电响应型水凝胶由于其快速和精确的响应能力，在医疗、生物工程、软体机器人及智能设备等领域表现出了显著的应用潜力。随着材料科学的进步和制造技术的发展，这些材料的应用范围和效能预期将进一步扩展。

1.5"磁响应型水凝胶

磁响应型水凝胶可以在磁场的作用下改变其物理状态，如形状、体积或机械性能。这种水凝胶通常通过整合磁性纳米颗粒（如Fe3O4或γ-Fe2O3纳米颗粒）到水凝胶网络中实现其磁响应特性。当施加外部磁场时，这些磁性颗粒会重新排列，从而引导整个水凝胶网络的形变或运动，使水凝胶在磁场中具有良好的响应性和快速的动态调节能力。

Su等^［20］利用反相微乳液技术，制备作为磁共振成像（MRI）探针的氧化铁纳米粒子负载磁性葡聚糖纳米水凝胶。预先合成了水溶性超顺磁性氧化铁纳米晶体（Fe3O4），并将其物理掺杂到以反相W/O微乳液为纳米反应器形成的含希夫碱葡聚糖纳米凝胶中。Wei等^［21］基于逐层法探索了一种具有Fe3O4/共聚（异丙基丙烯酰胺-4-苯甲酰苯基丙烯酸酯）活性层和各向同性导电胶（ICA）被动层的各向异性双层水凝胶致动器。Fe3O4纳米粒子良好的光热特性和磁导率为水凝胶致动器提供了精确的可远程控制的光和磁致动特性。Chen等^［22］在MoS2纳米片表面锚定热敏PNIPAm和磁性Fe3O4纳米粒子，开发出了具有磁性和光热刺激响应的新型可编程各向异性材料。进一步将PNIPAm-MoS2/Fe3O4嵌入三维打印的水凝胶立方体中，得到了刺激响应构件，磁场可以精确控制它们的取向和近红外（NIR）光吸收特性。尽管磁响应型水凝胶展示了巨大的应用潜力，但仍存在一些挑战，如在保持高磁响应性的同时如何提高材料的机械强度和耐久性。未来的研究可能会集中在开发新型的磁性复合材料、提高磁响应型水凝胶的生物相容性，以及扩展其在智能装置和环境监测中的应用。

2"环境刺激响应水凝胶纺织品在各领域中的特效应用

环境刺激响应型水凝胶纺织品因其能够在特定环境变化下自动调节自身的性能或外观，逐渐在多个行业中展现出不可替代的独特价值。这些纺织品不仅具备智能响应功能，能够根据外界环境的变化做出相应调整，还可以通过设计的优化来实现多样化的应用。正因为这种高度的智能化和灵活性，环境刺激响应型水凝胶纺织品在生物医学领域、柔性可穿戴设备、环境监测、功能性服装等多个行业中，展现出了极大的应用潜力（图4）。随着科技和材料科学的不断进步，这类纺织品的性能和功能还将不断提升，有望在未来实现更为广泛和深入的应用，不仅满足现代社会对智能化产品的需求，还能推动相关产业的技术创新与发展。

2.1"生物医用领域

水凝胶在生物医用领域扮演着关键的角色，主要得益于其高度的水合性、良好的生物相容性及结构可调的机械性质。这些特性使水凝胶成为理想的生物材料，广泛应用于药物递送系统、组织工程支架、伤口敷料和生物传感器等领域。在药物递送中，水凝胶能够提供受控的药物释放环境，优化治疗效果并减少副作用;在组织工程中，其三维网络结构模仿自然细胞外基质，支持细胞黏附和增殖，促进组织修复和再生;作为伤口敷料，水凝胶不仅保持伤口湿润，还能有效吸收渗出物，加速愈合过程;而在生物传感领域，水凝胶的高透水性和生物兼容性使其能够整合生物识别元素，实现对各种生物标志物的敏感检测。总之，水凝胶的这些独特属性和功能使其在生物医用领域具有广泛而深远的应用前景。

2.1.1"药物递送

Shen等^［23］采用丙烯酰氯对β-CD进行改性，并进一步与NIPAm和AA共聚，得到PNIPAm-co-β-CD-AC。结果表明，PNIPAm/β-CD-AC的临界相变温度可控制在19 ℃，并在2～10 s内实现了快速的溶胶—凝胶相变。该水凝胶所携带的疏水性药物在pH值5.5～8条件下可持续释放6 d以上，持续时间可与伤口的恢复情况相匹配。作为一种水凝胶敷料，它的快速凝胶形成和反转及剪切稀化特性可防止伤口二次损伤。这种基于β-CD的水凝胶还具有良好的生物相容性和抗氧化性，是伤口敷料的理想选择，尤其适用于冬季暴露在外的伤口。

2.1.2"医用敷料

Jiang等^［24］提出通过基于霍夫迈斯特效应的湿法纺丝技术制成基于新型明胶甘油水凝胶（glyhydrogel）纤维的水凝胶纺织敷料（图5）。得益于独特的针织结构，这种纺织敷料具有出色的透气性（是市售3M敷料的1 800倍）和拉伸性（535.51%±38.66%）。此外，该水凝胶敷料还能承受零下80 ℃的极端温度，显示了在零度以下环境中的应用潜力。甘油的引入还赋予了织物敷料显著的抗菌性能，并具有极佳的感染伤口愈合效果，此工作为水凝胶敷料的开发提供了一种新方法。Chen等^［25］将紫苏多糖（BSP）与水性聚氨酯（WPU）结合，制备了一系列具有良好的抗压强度、吸水性和保水能力，有利于伤口愈合的WPUB水凝胶。其抗压强度为最高可达107 MPa，膨胀率为16.3，水汽透过率WVRT为2 013 g/m²/d，且保水时间长。此外，在体外生物相容性方面，WPUB4水凝胶的溶血率低至2.47%，羟基自由基清除率为35.5%，细胞毒性小，细胞存活率为101.4%。最重要的是，WPUB水凝胶敷料在促进伤口愈合方面表现出色。与传统纱布相比，使用WPUB水凝胶敷料的小鼠的伤口表面积在术后第3天显著缩小，第7天伤口愈合。新生皮肤的表皮更厚，毛细血管更多。表明含有BSP的WPUB水凝胶有望用作伤口敷料。

2.1.3"组织工程

Ding等^［26］介绍一种通过原位3D生物打印促进慢性糖尿病伤口愈合的MoS2加速胶凝水凝胶支架。将苯甲醛和氰乙酸酯基团官能化葡聚糖溶液与MoS2纳米片简单混合就能超快形成水凝胶，并可将这种混合物用作微流控三维生物打印墨水。此外，由于MoS2纳米片的存在，打印出的MoS2水凝胶支架具有抗氧化和光热抗菌特性。因此，通过在慢性糖

尿病伤口上直接打印支架，可观察到伤口愈合加快，促进了伤口闭合，减轻了氧化应激，消除了细菌感染。这表明，MoS2加速胶凝水凝胶支架在慢性伤口管理方面具有重要价值。

2.2"可穿戴和传感领域

在当今科技高速发展的时代，智能材料和柔性电子设备领域的进步正不断推动着新一代科技产品的开发。特别是环境刺激响应水凝胶这类智能材料，在柔性可穿戴设备与能量存储系统，如柔性超级电容器中的应用展示了其独特的潜力和多功能性。环境刺激响应水凝胶因其能够感知并适应外部环境变化（如温度、pH值、湿度等）而被广泛研究，这些材料的应用不仅限于医疗健康监测，更拓展到能量收集与存储技术领域。

2.2.1"柔性传感器

Li等^［27］通过简便的湿法纺丝连续快速地制备由有机溶性聚酰亚胺盐衍生的离子聚酰亚胺水凝胶纤维，得益于其富含离子的特性和坚固的骨架结构，所制备的离子聚酰亚胺水凝胶纤维具有21 mS/cm的优异导电性和出色的机械性能，拉伸强度达2.5 MPa，断裂伸长率达215%。此外，制备的纤维还可以轻松编织成整体纺织品，具有良好的耐磨性能。因此，由聚酰亚胺水凝胶纤维组装的简易应变传感器具有线性响应、高灵敏度和良好的循环稳定性，在各种复杂环境下的可穿戴柔性应变传感器中具有巨大的应用潜力。Zaman等^［28］采用溶胶—凝胶法合成了海藻酸钠导电水凝胶棉质无纺布，并使用了三种不同质量分数的海藻酸钠（0.5%、1%和1.5%）和硝酸银（5%、10%和15%）来分析它们对无纺布导电水凝胶性能的影响。含有1%质量的海藻酸钠和15%质量的硝酸银的复合材料的表面电阻率值最佳，低于100 Ω/m²。这种无纺布导电水凝胶有望用于智能传感纺织品和其他技术纺织品中。

柔性离子电子器件在新型表皮电子器件方面具有巨大潜力。然而，大多数离子电子器件缺乏透气性，这严重阻碍了其实际应用。在此，Xu等^［29］设计了一种具有两种传感功能（触摸和应变）的可透气剪折形状的离子电子织物，将丝织物和剪折形状离子水凝胶融为一体（图6）。剪折形状离子水凝胶与蓬松的丝织物相结合，使离子电子织物具有出色的透气性和舒适性。此外，制成的离子电子织物还能精确地实现触摸感应和应变感知功能。在触摸感应方面，离子电子织物可根据离子场的中断情况，在快速响应时间（3 ms）内检测手指触摸点的位置。在应变感应方面，已证明该技术具有较大的工作应变范围（gt;100%）、不明显的漂移（lt;0.78%）和长期稳定性（gt;10 000次循环）。在概念验证中，设计了织物键盘和游戏控制套，以显示触摸和应变传感功能。该离子电子织物突破了传统可穿戴离子电子装置的瓶颈，在未来的可穿戴表皮电子装置中大有可为。

2.2.2"柔性超级电容器

Li等^［30］设计了一种高性能全固态超级电容器（ASC），采用石墨烯封装的聚酯纤维负载聚苯胺作为柔性电极，细菌纤维素（BC）纳米纤维增强聚丙烯酰胺作为水凝胶电解质。该电容器具有564 mF/cm²的高电容值、出色的速率能力、良好的能量/功率密度，更重要的是，它具有出色的机械性能，在反复弯曲后电容值不会明显降低，从而证实了ASC在机械变形条件下的功能。这项工作展示了一种足够坚固的储能装置的有效设计，在真正的可穿戴应用中显示出巨大的潜力。

2.3"功能性服装领域

环境刺激响应水凝胶在功能性服装领域的应用正逐步展现出其关键性的技术优势。这类智能材料不仅大幅提升了服装在多变环境下的适应性和性能，还拓宽了服装设计与应用的可能性，为穿戴者带来更加舒适、健康和高度个性化的穿着体验。通过整合环境响应水凝胶，服装能够实现温度调节、湿度控制、光响应等多种智能功能，增强了服装在不同环境中的性能表现。此外，水凝胶的应用还为健康监测与管理功能的集成提供了技术支持，使功能性服装在满足时尚需求的同时，成为促进健康生活方式的重要工具。随着材料科学与智能技术的持续进步，环境刺激响应水凝胶有望进一步推动功能性服装领域的技术创新，提供更加智能化、多功能化的解决方案。

2.3.1"阻燃性

Nie等^［31］开发了一种简单的浇注策略，以SiO2同时作为交联剂和阻燃剂来制备阻燃凝胶/纺织品复合材料（FR-GT）。由于PAAM/SiO2纳米复合水凝胶被填充到纺织品中，在界面上形成了半穿透结构，因此制备的FR-GT的界面韧性达到272 J/m²。化学交联剂（PEGDA）和物理交联剂（SiO2）的存在限制了水凝胶溶胀后的体积膨胀。即使在高温环境中，水凝胶的温度也能保持在100 ℃以下，直到水分蒸发殆尽，可应用于阻燃手套和其他家用阻燃设备。

2.3.2"形状记忆性

Luo等^［32］利用纤维拉伸技术制备了一种含有茶多酚（TPs）的PVA基水凝胶纤维，该纤维具有优异的机械性能和形状记忆性能（图7）。同时，由于采用了拉丝技术，PVA/TP水凝胶纤维的强度大幅提高，但断裂伸长率仍能保持在较高水平。由于性能优异，用于缝合的水凝胶纤维在缝合速度和可靠性方面都取得了非常令人满意的效果。因此，这种拉伸形状记忆水凝胶纤维有望成为先进生物医用纺织品和智能工程纤维的应用材料。

2.3.3"抗菌性

Azadeh等^［33］通过在棉织物上应用含有肉桂油的刺激响应型PNIPAAm/壳聚糖（PNCS）纳米水凝胶来获得芳香纺织品，经处理的织物在不同温度下的抗菌活性表明，制备出了具有温度响应性的新型功能性生物抗菌织物。Liu等^［34］开发了一种水凝胶敷料，水凝胶基质由具有优异机械性能的PVA和琼脂糖双网络组成。水凝胶中添加了高效抗菌阳离子聚合物超支化聚赖氨酸（HBPL）和强抗氧化分子TA作为功能成分，因此该水凝胶具备高强度和韧性、抗肿胀、抗菌和抗氧化功能，且可以大规模生产并用于加速伤口愈合，同时可预防感染伤口中的增生性瘢痕。

2.3.4"自修复性

Andi等^［35］将自聚合改性NIPAm-co-GMA-IDA与含镧系金属共混制备高性能温敏自修复水凝胶复合材料（图8）。由于两种镧系金属铕（Eu³⁺）和铽（Tb³⁺）的配位稳定性不同，相应的材料表现出对激发波长、温度和pH值的环境响应，从而产生不同的颜色。当用于织物时，材料的交联机制有效地将材料环绕在织物纤维之间;此外，聚合物的温度敏感性调节织物纤维之间的孔隙尺寸。在相对较高的温度（gt;32 ℃）下，聚合物结构收缩，纤维孔隙扩大，透气性提高。因此，这种复合水凝胶材料有望用于自修复功能纺织品领域。

2.3.5"智能变色

张帆等^［36］以纳米纤维素、羧甲基纤维素为水凝胶基体，引入光致变色羟基螺吡喃化合物，将环氧氯丙烷作为交联剂，制备新型纤维素基光致变色水凝胶。水凝胶中羟基与棉织物表面羟基缩合构筑光致变色表面，从而形成光致变色纺织面料。在紫外光及可见光照射下具有快速的光致变色响应性，在2～3 min实现快速着色褪色，其皂洗前后均可以保证10次以上可逆循环变色，为光致变色纺织品、新型光致变色整理剂的研究及实际生产提供理论基础和技术路径。

2.4"环境领域

水凝胶在环境领域的应用具有深远的重要意义，其高度的适应性使得水凝胶在净化污染水域、治理受污染土壤、监测环境质量及其变化，以及支持生态系统恢复和资源的可持续利用方面发挥了至关重要的作用。通过这些应用，水凝胶不仅有助于实现当前的环境保护目标，还促进了向更可持续和环境友好型社会的转变。

2.4.1"吸附功能

纺织业是耗水量最大的生产行业之一，其未处理的废弃物是生态污染的主要来源，包括有毒染料、重金属及不可降解的物质，对环境造成严重威胁。水凝胶因其独特的网络结构，已被证明是一种极具潜力的染料吸附材料。其高吸水性使其能够吸收并保持大量水分，有些类型的水凝胶甚至能吸收相当于自身重量数百倍的水。这一特性使水凝胶成为处理水溶液中溶解或分散污染物的理想选择。水凝胶的孔隙大小和分布可以通过合成过程中的条件控制来调节，使得它们可以针对特定大小的分子进行定制吸附。这一特性对于从水体中选择性移除污染物特别重要，如重金属离子、有机污染物和生物毒素。水凝胶的独特特性，如高吸水性、可调节的孔隙结构、可定制的化学功能性，以及良好的生物兼容性和生物降解性，使其成为在吸附领域极具前景的材料。这些特点使水凝胶在环保和资源回收方面展现出特别的应用潜力，能够有效地应对如今世界面临的水处理和环境净化挑战。

Azady等^［37］使用伽马射线辐照法将PVA、AA和聚4-苯乙烯磺酸（PSSa）以不同的成分共聚成水凝胶。该水凝胶的高度多孔结构表现出优异的吸附能力和去除效率，不仅可以吸收并保留大量的水分，且可用于去除阳离子染料。Tesema等^［38］采用丙烯酸腐蚀剂和柑橘提取物作为交联剂和单体，通过自由极端聚合法制备水凝胶，显示出96.919%的高吸水性。该水凝胶具有晶体基质结构，有助于捕获小分子，可用于去除纺织工业废水中的亚甲基蓝。Zeynep等^［39］用PVA和SA桥接生成交联水凝胶，然后将天然沸石（clinoptilolite）颗粒均匀分布在聚合物基体中。通过吸附法测定沸石基水凝胶复合材料对实际含染料混合物纺织废水的脱色潜力，其最佳色素去除率可达86%，吸附容量为166 Pt-Co/g。掺杂沸石的水凝胶颗粒可作为一种替代性的、环保的、低成本的吸附剂，用于去除含有染料的纺织工业废水中的颜色。莫叶伶等^［40］以N，N，N-三甲基-3-（2-甲基烯丙酰氨基）-1-氯化丙铵和丙烯酰胺为功能单体，N，N，N，N-四甲基乙二胺为促进剂，过硫酸铵为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，As（Ⅴ）阴离子为模板，制备出一种双层离子印迹凝胶用于As（Ⅴ）阴离子的去除。在pH 9、环境温度25 ℃、As（V）溶液质量浓度300 mg/L、吸附时间5 min时，水凝胶的最佳吸附量为48.47 mg/g，回收率在80%以上，有望用于痕量As（V）的快速检测。

2.4.2"油水分离

石油泄漏和废水排放每天都会发生，并带来严重的环境挑战。为了解决这些问题，人们广泛开发了具有特殊润湿性的分离材料。水凝胶是近年来研究的典型高分子材料，表现出优异的亲水性和防污性能。

Suradi等^［41］通过将PNIPAAm光接枝到原始和功能化聚对苯二甲酸乙二酯（PET）表面，制备出了新型水凝胶改性纺织品。再通过水解和羧化对PET纺织品进行功能化处理，表面亲水性更强，也更粗糙，并具有极佳的沾油转换表面，在油水分离和智能纺织品方面具有巨大的应用潜力。Li等^［42］制备了一种低临界凝胶质量分数（0.05%）的灯笼型分子结构芳烃基水凝胶，它可用于高效的油水分离。这种水凝胶具有可逆的pH值响应特性，可通过原位溶胶—凝胶转化涂覆在不锈钢网上，由此制成的网状物具有出色的油水分离效率（大于99%）和通量（大于6×104 L/（m²·h））。这种灯笼芳烃基水凝胶拓展了基于大环分子水凝胶作为功能性界面材料的应用。Huang等^［43］提出了一种简便有效的策略来制备多孔聚氨酯水凝胶（P-PUH），该水凝胶具有各种所需的特性，包括基材独立性、水下超疏油性及良好的机械性能（图9）。所制备的P-PUH具有超低的水下油黏附性能和优异的油水分离效率，对各种油水混合物，从含黏性油（泵油和花生油）到有机溶剂（正己烷、正十六烷和甲苯）的超高油水分离率达99.9%。此外，这种水凝胶即使暴露在各种恶劣条件下，包括酸性和碱性介质（pH0～14）及机械磨损，也能经久耐用。这种坚固的多孔水凝胶具有制备简便、不依赖基底、重力驱动分离、防污特性、高耐久性及出色的分离通量和效率等特点，将有助于推动油水分离领域材料的设计和应用。

2.4.3"环境监测

在一些工业区，废水的滥用排放导致海产品、粮食甚至饮用水受到严重的汞（Ⅱ）（Hg²⁺）污染。为了保护人们免受Hg²⁺污染食品和水的危害，许多操作简便的固态荧光Hg²⁺传感材料应运而生。Zhang等^［44］通过将原始滤纸/纺织纤维与Hg²⁺敏感荧光聚合物水凝胶原位交联而制备了一种新型的基于柔性纸/纺织纤维的Hg²⁺离子薄膜化学传感器。设计依赖于Hg²⁺和薄膜传感器的接枝硫脲部分之间的特定化学反应来诱导可见的“绿到蓝”颜色变化。具有便携性、高灵敏度的特点，即使在复杂的现实水环境和食品系统中也能轻松检测Hg²⁺。此外，为了便于现场检测并确保安全操作，首次制造了坚固的可穿戴式Hg²⁺传感手套，只需触摸即可直观地识别Hg²⁺污染的食品和水样。该策略可以启发未来构建更强大的可穿戴检测设备，用于检测其他重要的食品和水污染物。Wu等^［45］设计了一种基于多孔弹性体封装水凝胶的氧气传感器，该传感器在各种环境条件下均具有出色的室温传感性能，包括高精度（ppm级）、宽检测范围（从5 ppm到90%O2）、优异的重复性、选择性、长期稳定性、透气性和防水性。疏水性弹性体薄膜在很大程度上阻止了水分子的侵入和蒸发，使设备具有抗潮湿干扰能力，适用于水下操作。得益于水凝胶和弹性体薄膜固有的可拉伸性及其强大的界面黏合力，最终设备的拉伸应变可达100%。通过将传感器与无线电路模块集成，展示了一种用于实时监测健康和环境的可穿戴/便携式氧传感系统，实现了对呼吸频率、组织氧、环境氧和溶解氧的及时、便捷的评估。Lu等^［46］报告了一种多合一水凝胶，使其能够同时用作温室的防雾涂层和环境监测器。这种策略包括构建松散交联的亲水网络，其中富含游离离子和特定数量的甘油。这种由长链聚合物组成的透明水凝胶与温室薄膜的内表面具有极佳的黏附性，并通过薄膜凝结作用显著降低了薄膜的水接触角，从而在不影响薄膜透明度的情况下增强了薄膜的防雾性能。同时，甘油和游离离子的存在使凝胶在显示环境敏感传导性的同时，还能维持较宽的温度和湿度范围，从而赋予凝胶与传统刚性环境传感器相同的功能。这项工作能为多功能智能温室薄膜的开发提供一些启发。

2.5"军事与安全

水凝胶具有良好的生物相容性和湿润性，能够用于伤口的敷料，帮助促进伤口愈合，同时防止感染。在军事战场上，水凝胶敷料可以为受伤士兵提供紧急护理，减轻痛苦并加速恢复。水凝胶可以用于制造轻量化的防护材料，如防弹衣和防爆材料。其独特的结构和性质使其在吸收和分散冲击力方面具有优势，从而增强了防护性能。

环境刺激响应水凝胶纺织品可以用于开发迷彩服装，这种服装能够根据周围环境的颜色和光线变化自动调整颜色，提高战场上的伪装能力^［47-48］（图10）。同时，这些材料也可以用于制造能够在特定化学或生物威胁出现时警告穿戴者的防护服。环境刺激响应水凝胶也可以作为智能传感器的基础材料，用于探测环境变化或生物信号^［49］。例如，水凝胶传感器可以用来监测环境中的化学物质或生物标志物，从而提高军事行动的安全性和效率^［50-51］。在极端环境条件下，环境刺激响应水凝胶能够调节湿度和温度，为军事装备和人员提供舒适的环境。这种应用特别适合用于军用帐篷、衣物和其他装备中^［52-53］。另外，环境刺激响应水凝胶也可以用于储存和释放能量，尤其是在战场上需要快速响应的场景中。这些材料可以储存化学能或机械能，并在需要时迅速释放^［54-55］。

3"目前存在的难题及解决方法

水凝胶纺织品目前主要面临机械强度和耐久性不足、水凝胶与纺织基材结合稳定性差和透气性较差等问题。研究者仍在不断努力探索解决方法，尝试克服上述困难。近期研究在这些方面已取得显著进展，为水凝胶纺织品在智能服装、医用敷料等领域的广泛应用奠定了基础。

对于由于水凝胶本身的机械性能较弱，导致其在纺织品中易损坏或失效，需通过引入纳米颗粒或纤维素等增强材料来提升其强度^［56-57］。具有双网络的水凝胶目前有望成为柔软而坚韧的纺织材料，因其特殊的交联结构，通常表现出优异的机械性能。它由两个互相交联的聚合物网络构成：一个刚性且易断裂的脆性网络和一个柔软且高延展性的柔性网络。通过这两种网络的协同作用，双网络水凝胶能够在高应力下承受较大的变形，并在大幅度的拉伸或压缩下展现出极高的韧性和强度。Wan等^［58］构建了基于天然壳聚糖分子的双网络水凝胶以增强机械性能，并将草药天然产物大黄素负载到水凝胶中以改善敷料的愈合效果。通过席夫碱反应形成的壳聚糖—大黄素网络结构和生物相容性的聚乙烯醇微晶网络，赋予水凝胶优异的机械性能并确保其作为伤口敷料的完整性。对于水凝胶与纺织基材的结合力弱的难题，通常可通过化学交联或特殊织造技术增强其稳定性。Khan等^［59］受蜘蛛丝超收缩行为的启发，制备了一种可纺水凝胶，并将其涂覆在棉纱上后形成一种皮芯状复合纱线。棉纱和水凝胶的极性基团之间的强氢键提供了出色的机械稳定性，捻线插入形成螺旋状结构，表现出对水分响应的超收缩行为。该超收缩纱线可以重新拉伸到其原始长度，表现出可循环性，可用于构建智能纺织品，自适应不规则表面。Li等^［27］通过简便的湿纺方法连续快速制备了一种离子聚酰亚胺水凝胶纤维。由于该纤维富含离子的特性和坚固的骨架结构，所获得的离子聚酰亚胺水凝胶纤维具出色的机械性能，可以轻松编织成柔性织物。同时表现出优异的化学稳定性，可以耐受碱性条件和有机溶液等复杂环境，以及良好的导电性和优异的变形—导电灵敏度。

透气性被认为是水凝胶纺织品的关键特性，尤其是在可穿戴或植入式服装设备中，因为透气性确保了与水凝胶纺织品接触皮肤组织的兼容性、舒适性和健康性。Deng等^［60］采用同轴微流体打印来制造导电中空水凝胶纤维，通过精细调节所涉及流体的流速，可以精确控制中空水凝胶纤维内封闭微流体通道的尺寸和几何形状。将这些纤维编织成网状二维结构，以形成柔软、黏性、透气且透气的传感纺织品。与固体水凝胶膜相比，该研究中编织结构纺织水凝胶具有更好的渗透性和透气性。3D生物打印技术快速、高效地打印出形状复杂甚至个性化定制的3D支架，并在微米尺度上精确调控其多孔结构，确保良好的透气性。因此，Lin等^［61］通过利用简单的3D生物打印方法，将新型鱼皮脱细胞外基质（dECM）水凝胶微纤维纺制成丝状，并打印成3D结构水凝胶伤口敷料，成功制备了一种新型功能性伤口愈合水凝胶纺织品。该水凝胶纺织品具有巨大的比表面积、丰富的纳米孔隙和复杂的纳米通道，能够负载多种生物活性物质，同时具有良好的透气性，在促进伤口愈合方面表现出优异性能。

4"结"语

环境刺激响应水凝胶纺织品的研究具有重要意义，传统纺织品在功能性和智能响应能力上存在局限，而水凝胶不仅具有高度吸水性能和保水性能，且因其独特的材料特性能够为纺织品赋予多种智能响应功能。水凝胶材料可根据温度、pH值、光照等外界环境变化自动调节自身结构，从而提升纺织品的舒适性、功能性及适应性。水凝胶与纺织品结合能够赋予纺织品智能调节和多功能性，满足医疗护理、运动防护、环境监测等领域的创新需求。同时，智能纺织品的发展符合现代社会对舒适性、健康性和个性化需求的追求，因此该领域的研究不仅能够推动纺织品技术升级，还能开拓更多应用场景。

环境刺激响应水凝胶纺织品的研究充满潜力和前景。随着材料科学和制造技术的进步，水凝胶与纺织品的结合将实现更高效的环境响应能力和更久的耐用性。在智能服装、可穿戴健康监测设备、自适应医疗敷料等领域，水凝胶纺织品将发挥重要作用。未来的研究还将进一步探索如何优化纺织品的舒适性、灵活性和生物相容性，同时开发低成本、可持续的生产工艺。此外，智能纺织品有望集成多种功能，如自修复、能源收集和实时数据传输，从而在医疗保健、运动、环境监测和国防等领域实现广泛应用，推动智能纺织品进入日常生活。通过不断探索更多创新应用场景，水凝胶纺织品将为智能化和可持续社会的发展提供强有力的技术支撑。

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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