随着技术的快速发展以及对健康生活方式的日益重视，智能可穿戴电子设备应运而生并得到了快速发展。作为可穿戴电子产品的核心组件，柔性传感器在多种应用中展现出巨大潜力，如远程健康监测[1]、[2]、[3]、身体运动追踪[4]、[5]、电子皮肤[6]、[7]、[8]、人机交互[9]、[10]和软体机器人[11]、[12]。这些传感器通过将物理刺激转化为电信号来实现多种传感功能。水凝胶因其三维（3D）网络结构而受到广泛关注，其柔韧性、生物相容性和与天然组织的结构相似性使其在生物传感领域具有优势[13]、[14]、[15]。它们的化学、机械和电学多功能性进一步增加了其在这些应用中的吸引力[16]、[17]。为了满足柔性可穿戴电子产品的需求，导电水凝胶还需具备高伸展性、高离子导电性和抗冻能力[18]。然而，目前报道的水凝胶传感器在稳定性和导电性方面仍存在局限性。传统水凝胶缺乏全面的能量耗散机制，仅依靠分子网络来分散应力，因此在高应变下只能承受有限的应力或在较大变形下伸展受限，无法满足高级应用的要求。此外，大多数水凝胶无法同时实现柔韧性和导电性。例如，Sima等人[19]开发了一种具有高灵敏度和导电性（9.64 S m−1）的CNT@CNF/MXene水凝胶，但其伸展性较差（最大应变仅为424%）。相比之下，Wu等人[20]采用溶剂交换辅助盐析策略制备了具有优异伸展性（1252%）但离子导电率仅为0.34 S m−1的坚固耐疲劳水凝胶。因此，在单一水凝胶中整合理想的柔软性、导电性和稳定性仍然是一个挑战。
提高水凝胶导电性的常见方法是将导电填料（包括传统材料如碳纳米材料[21]、导电聚合物和金属氧化物，以及新兴材料如金属氮化物[22]和金属有机框架[23]）掺入聚合物基质中。其中，MXene纳米片（Ti3C2TX）因其大表面积、高导电性和丰富的表面官能团而特别有吸引力。这些特性有助于促进水凝胶中的电荷传输和韧性。然而，由于MXene的聚集和氧化问题，其机械性能和灵敏度仍不理想[24]。因此，开发具有优异分散性和机械性能以及稳定灵敏度的先进MXene基水凝胶仍是一项紧迫的任务。
天然组织（如骨骼肌的细胞外基质）凭借其多尺度层次结构而具备优异的机械性能。然而，大多数合成水凝胶缺乏这种复杂的设计，仅依赖于分子修饰或外部场（如剪切或定向冷冻），这些方法难以大规模应用，限制了实际应用[25]。在这种情况下，层次结构[26]被提出作为一种提高复合材料整体性能的策略。许多研究将双网络系统[27]、异质结构[28]和自由基共聚[29]引入水凝胶中，以增强其机械强度和实际稳定性。然而，这些方法通常涉及复杂的过程、苛刻的条件和不利于环境的合成工艺（如化学引发和酸蚀刻），需要大量昂贵的有害试剂。基于生物的材料（如丝素蛋白、壳聚糖、海藻酸钠和纤维素）因其生物相容性和可持续性而成为理想的水凝胶替代材料。然而，许多材料（如丝素蛋白）受到高生产成本、复杂的提取过程（需要脱胶和纯化步骤）以及分子结构可改性性有限的限制，不适合大规模生产。相比之下，纤维素丰富、价格低廉且种类多样。特别是纤维素纳米纤维，由于其高长宽比、高强度、易于修饰和可再生性，已成为出色的生物材料，可以用于改善水凝胶的机械性能[30]、[31]、[32]、[33]。然而，现有研究往往仅使用一种类型的纤维素纤维或其改性形式来构建网络结构，导致增强效果有限。
在本研究中，使用微纤化纤维素（MFC）和TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TO–CNF）[34]构建了双纤维素层次网络（MCNF）。较粗的MFC提供了机械增强作用，而较细的TO–CNF则有助于伸展，共同形成了一个能量耗散网络，提高了水凝胶的机械性能。聚丙烯酰胺（PAM）作为基础聚合物，与MFC和TO–CNF一起构建了层次化的双纤维素网络，为MXene的均匀负载提供了支架，形成了有效的导电通道。MFC和TO–CNF表面富含亲水性羟基，不仅促进了“粗”和“细”层次网络的形成，还增强了它们与PAM基质的相互作用。这种层次结构引入了新的能量耗散机制，提高了水凝胶的机械强度。此外，纤维素表面为MXene提供了大量的锚定点，确保其在水凝胶中的均匀分散。连续的MXene网络大大提高了导电率。添加416型电解质后，离子强度进一步提高，使水凝胶在-70°C时仍能保持64%的导电率，表现出优异的耐冻性能。最终，PAM/MCNF@MXene水凝胶（PCMH）作为一种稳定且灵敏的柔性传感器，能够监测各种身体运动（如喉咙、手指、手腕和膝盖）并区分不同的声音模式。这项工作成功地将柔韧性（277.84 kPa，2029%）、稳定性和导电性（4.55 S m−1）整合到单一水凝胶中，克服了传统水凝胶的寿命限制，扩展了纤维素在多功能传感器、软电子设备和皮肤贴片中的应用潜力。
