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聚乙烯醇基凝胶纤维

王明伟 ,  郭婉茹 ,  王玉 ,  张青松 ,  刘兵 ,  李政

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (4) :689-706

PDF (9072KB)
化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (4) :689-706 DOI: 10.7536/PC20250728
综述与评论
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聚乙烯醇基凝胶纤维

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Polyvinyl Alcohol based Gel Fiber

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摘要

聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）基凝胶纤维具有三维交联网络结构，兼具固体力学性能与液体传质特性，柔韧性、可控润湿性及刺激响应性优异。其成本低、加工多样、机械性能好，通过优化结构与功能化改性，有望在可穿戴设备、人机交互及精准医疗等领域发挥重要作用。本文系统综述了PVA基凝胶纤维的研究进展，将其分为物理交联与化学交联两大类，并总结了模具法、浸渍法、静电纺丝、湿法纺丝、微流控纺丝及3D打印等多种制备方法。在此基础上，详细阐述了该材料在生物医学、柔性电子、智能纺织品、自修复材料及超级电容器等领域的应用开发情况。最后，针对当前研究面临的挑战与未来发展方向进行了展望，以期为该领域的深入研究和应用拓展提供参考。

Abstract

Polyvinyl alcohol （PVA）-based hydrogel fibers possess a three-dimensional cross-linked network structure， combining mechanical properties with liquid mass transfer characteristics， and exhibiting excellent flexibility， controllable wettability， and stimulus responsiveness. Due to their low cost， versatile processing methods， and good mechanical properties， these fibers are expected to play a significant role in fields such as wearable devices， human-computer interaction， and precision medicine through structural optimization and functional modification. This paper provides a systematic review of research progress on PVA-based hydrogel fibers， categorizing them into two main types： physically cross-linked and chemically cross-linked. It summarizes various preparation methods， including the mold method， impregnation， electrospinning， wet spinning， microfluidic spinning， and 3D printing. Building on this foundation， the paper elaborates in detail on the application and development of this material in fields such as biomedicine， flexible electronics， smart textiles， self-healing materials， and supercapacitors. Finally， the paper discusses the challenges currently facing research and future development directions， with the aim of providing a reference for in-depth research and expanded applications in this field.

Contents

1 Introduction

2 Crosslinking method of PVA-based gel fiber

2.1 Physically crosslinked gel fiber

2.2 Chemically crosslinked gel fiber

3 Preparation method of polyvinyl alcohol based gel fiber

3.1 Mold method

3.2 Dipping

3.3 Electrospinning

3.4 Wet spinning

3.5 Microfluidic spinning

3.6 3D Printing

4 Application of PVA based gel fiber

4.1 Biomedical

4.2 Flexible electronics

4.3 Smart textiles

4.4 Self repairing materials

4.5 Supercapacitors

5 Conclusion and Prospect

Graphical abstract

关键词

聚乙烯醇 / 凝胶纤维 / 复合材料

Key words

polyvinyl alcohol / gel fiber / composite material

引用本文

引用格式 ▾
王明伟, 郭婉茹, 王玉, 张青松, 刘兵, 李政. 聚乙烯醇基凝胶纤维[J]. 化学进展, 2026, 38(4): 689-706 DOI:10.7536/PC20250728
Mingwei Wang, Wanru Guo, Yu Wang, Qingsong Zhang, Bing Liu, Zheng Li. Polyvinyl Alcohol based Gel Fiber[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(4): 689-706 DOI:10.7536/PC20250728

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1 引言

水凝胶由亲水性聚合物链的化学或物理交联3D网络组成，具有吸收和保留大量水的能力[1]。由于水凝胶与生物组织在化学和结构性质上的内在相似性，例如高含水量、机械柔软性、亲水性和卓越的生物相容性，水凝胶已被广泛用于组织工程[2]、生物电子学[3-4]和生物医学[5-6]等。水凝胶纤维作为一种兼具力学性能与液体传输特性的先进材料，协同整合了水凝胶材料和纤维结构的优点，能够吸收并保持大量水分，同时保持其结构完整性[7]，已经成为跨学科研究领域研究最广泛的材料之一[8-9]，并广泛应用于伤口敷料、可穿戴设备[10-11]、光电[12-16]、传感器[17]以及能源电池[18]等领域。例如，具有高透明度、优异的机械柔韧性和拉伸性的水凝胶光纤已被开发为用于光基因调制[12-14]、生物传感器[17]以及光热治疗的组织波导[13]。目前，湿法纺丝和微流体纺丝等[2]各种制造策略，已被用于连续和可扩展的水凝胶纤维生产，制备的水凝胶纤维直径范围为100~3000 µm，最大长度为公里[19]。此外，利用功能性聚合物和水凝胶材料的特性，水凝胶纤维被设计成具有定制的属性，如独特的光学透明度、电子传导性以及对特定触发器（即热、磁场或超声波等）的响应性[20]等。

PVA是一种水溶性合成高分子材料，其分子链上富含羟基（—OH）[21]，具有良好的成纤能力、可调控的结晶度及氢键网络结构，故成为制备凝胶纤维的理想基体材料，在柔性电子、生物医学和智能纺织品[22]等领域展现出广阔的应用前景[23]。PVA基凝胶纤维作为一种高性能功能材料，因其独特的物理化学性质在柔性电子[24]、生物医学[25]及人机交互等领域受到广泛关注。该材料具有优异的机械性能，可通过改善微观结构[26]、调控交联密度[27]和引入纳米增强相[28]（如二氧化硅纳米纤维[29]、纤维素纳米晶或碳纳米管[30]等）实现宽范围的力学性能调节，同时具备出色的抗疲劳特性[31]，适用于可穿戴设备的长期动态监测[32]。其次，PVA基凝胶纤维具有智能响应性，能够对外界刺激（如温度、pH[33]、湿度及电场等）产生可逆的溶胀-收缩行为[34]，使其在仿生驱动器和自适应传感器中具有重要应用价值。通过引入导电填料（如聚苯胺、石墨烯或聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）等）和浸泡离子液体[35]等方法，可制备高灵敏度的柔性应变传感器，用于实时监测人体运动及生理信号（如呼吸、脉搏等）。此外，在生物医学领域，PVA基凝胶纤维的多孔结构可负载药物或生长因子，实现可控释放，显著提升疾病治疗效率[36-37]。

Zhou等[38]介绍了水凝胶纤维的制备技术并分析总结了各种制备方法的优缺点，重点阐述了水凝胶纤维在伤口敷料、药物输送、手术缝合线、组织工程等生物医学领域的应用进展，并指出了用于生物医学的水凝胶纤维目前仍存在一些问题（生产原料选择范围有限、复杂结构水凝胶纤维构造困难、水凝胶纤维机械性能差等）。Li等[32]介绍了过去三十年来全球水凝胶纤维研究的重大进展与突破性创新，深入探讨了内部结构变化、影响机械强度的因素、增强方法以及影响其吸湿特性的其他关键因素，并全面概述了水凝胶纤维开发的发展趋势及其巨大的潜在应用。Chen等[39]围绕水凝胶纤维的材料组成、结构设计、功能构建及应用领域，系统梳理水凝胶纤维发展脉络，同时详尽剖析其局限性与挑战，为构建功能化或仿生水凝胶纤维及其实际应用提供指导方针。尽管已有很多文献综述了水凝胶纤维的制备方法及应用场景，但没有文献从某一原料重点分析水凝胶纤维的交联原理、制备方法及应用领域。

本文旨在对PVA基凝胶纤维的交联方法、制备方法以及其应用领域进行分析，并且对PVA基凝胶纤维的未来研究方向进行展望，为PVA基凝胶纤维的进一步研究和应用提供了参考。

2 PVA基凝胶纤维的交联方法

PVA基凝胶纤维因具备良好的亲水性、生物相容性及机械性能，在生物医学、纺织和环保等领域应用广泛。交联是改善PVA基凝胶纤维性能的关键手段，通过交联可增强纤维的力学强度、稳定性和功能性，根据交联机理的差异，PVA基凝胶纤维的交联方法主要分为物理交联和化学交联两大类。

2.1 物理交联凝胶纤维

物理交联是指通过非化学键作用力，如氢键、范德华力、离子键、配位键以及分子链的缠绕等，使PVA分子链之间相互连接形成三维网络结构的过程。这些物理作用力较弱且具有可逆性，在一定条件下（如温度、溶剂等变化），交联结构可发生解交联。PVA基凝胶纤维的物理交联方法有：冻融循环法、拉伸诱导结晶法、离子交联法、辐射交联法（图1）。

冻融循环法是将PVA溶液进行反复冷冻和解冻处理，在冷冻过程中，溶液水形成冰晶，使PVA分子链浓度局部升高并相互靠近，解冻时分子链之间通过氢键和分子链缠绕等物理作用形成交联网络[40]。Wang等[41]通过冻融循环制造了含有细菌纤维素（Bacterial cellulose， BC）/PVA/甘油（Glycerol， Gly）的内层和具有生物活性的PVA/蚕丝微纤维（Silk microfibre， SMF）凝胶外层的纤维。其在纵向和环向的拉伸强度分别达到7.34~9.26 MPa和4.46~7.34 MPa。Dong等[42]将PVA、明胶（Gelatin， Gel）、Gly、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（Poly（3，4-ethanedioxythiophene）-polystyrene sulfonate， PEDOT：PSS）和氯化钠（NaCl）混合之后通过简单冻融循环制造凝胶纤维。该纤维断裂伸长率达到了613%，拉伸强度达到了1.1 MPa。Guo等[43]通过冻融循环制备了一种由PVA和还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide， rGO）组成的用于体内监测的高强度凝胶纤维。水凝胶纤维具有高抗拉强度（8.34±0.66 MPa）和弹性模量（1.15±0.10 MPa）（图2）。

冻融循环法操作简便，无需添加化学试剂，对环境友好；制备的PVA基凝胶纤维具有较高的柔韧性和一定的机械强度，且凝胶网络结构可通过冻融循环次数进行调控。但是交联过程耗时较长，通常需要多次循环才能获得理想的交联效果；所得凝胶纤维的交联均匀性较差，内部易产生应力集中，影响纤维的整体性能。

拉伸诱导结晶法是通过外力拉伸PVA凝胶纤维，使无序的PVA分子链沿拉伸方向有序排列。分子链间距缩小，相互作用增强，形成结晶区。这些结晶区作为物理交联点，连接分子链，构建稳定的三维网络结构，实现交联。Luo等[44]借助拉伸方法制备了一种含有茶多酚（Tea polyphenols，TPs）的具有优异的机械和形状记忆性能的PVA基水凝胶纤维。拉伸的PVA/TP水凝胶纤维面对各种临时形状能够快速恢复且机械性能（13.82 MPa）优异（图3）。拉伸诱导结晶法制备的凝胶纤维绿色环保（无需化学交联剂）、性能可调（通过拉伸参数精确调控结晶度和力学性能）和力学性能优异（分子链高度取向提升强度）。但是此方法对设备精度和工艺控制要求高，增加了成本和技术难度；生产过程耗时多段拉伸，效率较低，不利于大规模生产。

离子交联法是通过高分子链上的离子基团与金属离子（如Ca2+）形成离子键，构建三维网络结构制备凝胶纤维的方法。该过程条件温和，且离子键具有可逆性，易受pH、离子浓度等环境因素影响。Lin等[45]采用氯化钙（CaCl2）来调节PVA水凝胶纤维的多尺度结构，从而实现无定形交联网络并获得高断裂应变。此外，通过配位键交联的凝胶纤维的机械性能可以受到配体类型和金属离子类型的调节。使用更高价金属离子或增加浓度可增强机械性能。

Wu等[46]利用锆离子（Zr4+）与聚丙烯酸（Polyacrylic acid， PAA）和PVA制备了一种高机械性能和环境耐受性的仿生水凝胶纤维。所制备的仿生水凝胶纤维表现出较高的韧性（162.25±21.99 MJ/m3），并且在-40 ℃，30%RH下保持优异的机械性能（应力>50 MPa，应变>200%）（图4）。离子交联反应条件温和、操作简便；交联程度可通过离子浓度、种类等灵活调控；赋予纤维pH/离子响应性。但是结构稳定性受环境（如盐浓度、pH）影响大；部分重金属离子制备的凝胶纤维存在生物毒性风险。

辐射交联法是利用高能射线（如γ射线、电子束等）照射PVA凝胶纤维，使PVA分子链上产生自由基，自由基相互作用引发分子链之间的交联反应，形成三维网络结构。Idris等[47]利用γ射线辐射交联制备了聚吡咯（Polypyrrole，Py）/PVA复合基质的生物活性层并对光纤进行包层改性，提高了其生物相容性和机械稳定性。辐射交联过程无需化学交联剂，交联反应可在常温常压下进行，效率高；辐射交联对凝胶纤维的表面和内部均可产生交联作用，能有效改善纤维的整体性能。但是辐射设备昂贵，投资成本高；存在一定的安全风险，需要严格的防护措施以保障操作人员的安全。

物理交联过程简单，无需使用有毒有害的化学交联剂，符合绿色环保理念，所得PVA凝胶纤维具有良好的生物相容性和降解性；同时，物理交联过程不改变PVA分子链的化学结构，能较好地保留其原有性能。然而，物理交联形成的网络结构稳定性较差，交联强度较低，在高温、高湿度或长时间外力作用下，交联点易发生解离，导致纤维力学性能下降，限制了其在一些对强度和稳定性要求较高领域的应用。

2.2 化学交联凝胶纤维

化学交联是借助化学反应使PVA分子链上的活性基团（如羟基）与交联剂发生反应，通过共价键将PVA分子链连接起来，形成稳定的三维网络结构的过程。共价键的键能较高，使得化学交联形成的网络结构具有较高的稳定性[48]。PVA基凝胶纤维的化学交联方法有：醛类交联、羧酸交联、硼酸交联以及光交联（图5）。

醛类交联是利用醛类化合物（如甲醛、戊二醛等）中的醛基与PVA分子链上的羟基发生缩醛化反应，形成共价键，实现PVA分子链之间的交联。Huang等[49]引入无机黏合剂正硅酸四乙酯（Tetraethyl orthosilicate，TEOS）和化学交联剂戊二醛（Glutaraldehyde，GA）制备了一种化学交联PVA基凝胶纤维。最大限度地减少了聚合物晶体散射（晶体尺寸约为3.5 nm）并增加水凝胶的折射率（Refractive index，RI）（图6）。

Kim等[50]将二醛纤维素（Dialdehyde cellulose， DAC）作为交联剂引入PVA/木质素纺丝液的凝固浴中，再经湿法纺丝制备PVA基凝胶纤维。DAC作为一种生物醛纤维素添加到纤维中既环保又提高了纤维的水稳定性。醛类交联剂反应活性高，交联反应速度快，能在较短时间内获得较高的交联度；通过控制醛类交联剂的种类、浓度和反应条件，可精确调控交联程度和凝胶纤维的性能；所得PVA凝胶纤维具有良好的化学稳定性。但是甲醛等醛类交联剂具有毒性和刺激性气味，对操作人员健康有害，且残留的醛类物质会对环境造成污染。

羧酸交联是利用柠檬酸、丁二酸等多元羧酸与PVA的羟基发生酯化反应，通过热处理形成交联网络。该反应通常需要高温（150~180 ℃）和酸性催化剂促进。Nataraj等[51]使用柠檬酸作为绿色交联剂，将高亲水性PVA制成水稳定的静电纺丝纳米纤维。交联后的纳米纤维耐水性、热稳定性、生物相容性均有所提高，扩展了其生物学应用（图7）。羧酸交联交联剂无毒且生物可降解；交联后的PVA具有优异的耐热性和尺寸稳定性；羧酸基团的引入可改善材料亲水性。但是反应需要较高温度，能耗较大；交联速度较慢，工艺周期长；过度交联可能导致材料柔韧性下降。

硼酸交联法是基于硼酸与PVA分子链上的羟基在一定条件下发生络合反应，形成硼酸酯键，实现PVA分子链的交联。这种交联反应具有一定的可逆性，在不同pH值和温度条件下，硼酸酯键可发生解离和重新形成。Hong等[52]将硼酸作为交联剂添加到PVA纺丝溶液中，然后在硼酸和PVA充分交联后加入稀有非金属凹凸棒黏土（Attapulgite clay， ATT）作为增强材料，通过湿法纺丝制备了ATT增强和硼酸交联的PVA基凝胶纤维（PVA/B/ATT纤维）。该纤维强度达到了14.2±0.3 cN/dtex。硼酸交联反应条件温和，无需高温高压，对设备要求低；交联过程具有可逆性；硼酸及其衍生物相对无毒，对环境友好。但是硼酸酯键的稳定性受环境因素（如pH值、温度）影响较大；交联反应的可控性较差，交联度不易精确调节。

光交联是在光引发剂存在下，通过紫外光或可见光照射引发PVA分子链间的自由基聚合反应。宋晓艳等[53]利用紫外光照射静电纺丝制备的PVA-苯乙烯吡啶盐（PVA-SBQ）/甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的透明质酸（Glycerol-modified hyaluronic acid， GMHA）复合纳米纤维，得到光交联复合纳米纤维。紫外辐射后的纳米纤维浸水之后并未瞬间发生溶解，且随光照时间增长纳米纤维形貌更为明显。光交联过程快速高效，可在数秒内完成；适用于连续化生产和大规模制造。

化学交联形成的交联网络结构稳定，交联强度高，PVA凝胶纤维的力学性能、化学稳定性和耐溶剂性能显著提升。但化学交联通常需要使用化学交联剂，部分交联剂具有毒性，可能会残留于纤维中，对环境和人体健康造成潜在危害；尽管很难完全去除残留的交联剂，但化学交联仍受到研究人员的青睐[54-55]。此外，化学交联过程可能会改变PVA分子链的化学结构，影响其生物相容性和降解性。

3 聚乙烯醇基凝胶纤维的制备方法

不同的交联方法决定了后续制备工艺的选择。制备PVA基凝胶纤维需要综合考虑PVA与凝胶纤维材料的特性，以协调两者之间的性能，制备性能优异的凝胶纤维。目前PVA基凝胶纤维的制备方法有：模具法、浸涂法、静电纺丝、湿法纺丝和微流体纺丝等（表1）。

从图8可以看出：（1）使用模具法和湿法纺丝制备凝胶纤维断裂伸长率主要集中范围为300%~700%，但是湿法纺丝凝胶纤维的拉伸强度略高于模具法凝胶纤维的拉伸强度，且湿法纺丝可以制备更高拉伸强度的纤维（>50 MPa）。主要原因是列举的文献中湿法纺丝制备水凝胶纤维的过程中存在对纤维的牵伸以及退火等后处理，提高了凝胶纤维结晶度，从而增强了凝胶纤维的力学性能[56]。

（2）静电纺丝制备凝胶纤维强度高，但断裂伸长率低（<150%）。静电纺丝是通过高压静电场的力来克服聚合物溶液或熔体的表面张力，从而进行纤维的拉伸和细化，形成无序或有序排列的纳米纤维。但是由于纳米纤维极细，制备好的样品是以纳米纤维膜的形态存在的，纤维膜内部形成错综复杂的三维网络结构，孔隙率高且相互连通，故静电纺丝制备的凝胶纤维有一定的拉伸强度，但断裂伸长率较低[57]。

（3）微流体纺丝制备的凝胶纤维强度低但断裂伸长率跨度较大（150%~800%）。微流体纺丝是利用微流体芯片制备具有特定尺寸与结构的凝胶纤维，微流体芯片的差异与制备工艺决定了凝胶纤维的力学性能[58]。

3.1 模具法

模具法是通过将PVA溶液注入特定形状的模具中（如聚四氟乙烯管、玻璃毛细管、聚氯乙烯管），经过物理或化学交联（如冷冻-解冻循环或化学交联剂）使溶液在模具内成型为凝胶纤维的方法。Wang等[59]将PVA/银纳米线（AgNWs）溶液注入不同直径的聚四氟乙烯管中再利用冻融、盐析和干燥退火的协同工艺，成功制备了具有超高导电率（约为958 S/cm）和优异的机械性能（拉伸强度约为6.2 MPa、拉伸性>300%、韧性约为10 MJ/m3）的PVA水凝胶纤维（图9）。Shi等[60]通过将甘油添加到PVA和PEDOT：PSS的混合物中，使用注射器将其注入内径约为1000 μm的玻璃毛细管中，再经过冻融循环制备了具有优异的抵抗极端环境的柔性水凝胶纤维。

Liu等[61]将PVA与NaCl均匀混合注入聚氯乙烯管中制备了一种坚固、高韧性和高循环稳定的离子导电PVA水凝胶纤维。该纤维表现出优异的强度（20 MPa）、韧性（67.2 MJ/m3）、良好的导电性（0.38 S/m）、1.9的高应变系数（100%~300%应变）和优异的传感稳定性（在50%应变下1200次循环）（图10）。目前大多数PVA凝胶纤维采用模具方法制备[62]，操作简单，对设备要求低；能精确控制纤维尺寸和形状，适用于小批量定制化生产。但是生产效率低，难以实现连续化生产；纤维表面质量依赖模具精度，易出现气泡、表面不平整等问题，限制其大规模应用。

3.2 浸涂法

浸涂法是将基材浸入PVA溶液中，然后以预定的速率抽出，使溶液附着在基材表面，随后通过冻融、交联等工艺，在基材表面形成PVA凝胶涂层的方法。通常，涂层的厚度（从nm到µm）主要取决于PVA溶液的黏度。疏水性较差的基材会产生非连续的水凝胶涂层，这可以通过表面改性来解决，如等离子体处理或化学氧化/接枝，以提高表面亲水性。

Liu等[20]通过将氧气等离子体处理的二氧化硅纤维浸入PVA溶液中制备水凝胶纤维。PVA溶液在空气干燥过程中凝胶化，在此过程中，PVA链压实并形成纳米晶畴，作为最终PVA水凝胶涂层的物理交联位点（图11）。

Wu等[30]通过一层多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes， MWCNTs）覆盖水凝胶纤维成功的制备了具有高力学性能（拉伸强度为3.8 MPa、韧性为13.7 MJ/m3）、优异抗冻性能和高灵敏度的PVA/PAA杂化水凝胶纤维。（图12）。

浸涂法工艺简便，设备成本低；可在不同形状基材表面制备凝胶纤维，对基材适应性强，能实现多功能复合。但是涂层厚度不易精确控制，均匀性较差。

3.3 静电纺丝

静电纺丝是在高压电场作用下，使PVA溶液形成带电射流，射流在电场力牵引下拉伸细化，溶剂挥发后固化，最终沉积在接收装置上形成纳米级PVA凝胶纤维的方法。Li等[63]以PVA为底物，姜黄素和靛蓝为混合指示剂，通过静电纺丝技术制备了纳米指示纤维，用于新鲜度检测。

Zhao等[64]采用静电纺丝制备了具有良好导热性的羟基化氮化硼纳米片/水性聚氨酯/PVA复合纳米纤维。其具有良好的导热性（导热系数为0.629 W/mK）、出色的亲水性以及良好的机械性能（抗拉强度和弹性模量分别为5.87和35.22 MPa）（图13）。Valarmathi等[57]采用静电纺丝法制备壳聚糖（Chitosan， CS）/PVA/Gel和铜锶取代羟基磷灰石（Cu-Sr-HAP）复合纳米纤维。其拉伸强度达到了65.45±1.27 MPa、断裂伸长率达到了121.28%± 1.76%。

Tavakoli等[65]通过同轴静电纺丝方法制备了含有PVA核心和高级富血小板纤维蛋白（Advanced platelet-rich fibrin， A-PRF）的Gel壳的核壳纳米纤维。PVA/（Gel/A-PRF）核壳纳米纤维的拉伸应力为7.43±0.38 MPa，弹性模量为102.05±9.36 MPa（图14）。

静电纺丝可制备纳米级超细纤维，比表面积大；纤维孔隙率高、结构可控，能赋予纤维独特性能；可通过调节参数改变纤维形态和结构。但是生产效率低，产量小；对溶液黏度要求高；需高压设备，存在安全隐患，难以大规模工业化生产。

3.4 湿法纺丝

湿法纺丝是将PVA制成纺丝溶液，通过喷丝头挤出到凝固浴（柠檬酸钠、硫酸钠[66-67]和硫酸铵[68-69]等）中，溶液中的溶剂与凝固浴发生扩散交换，使PVA溶液凝固形成凝胶纤维的方法。使用湿法纺丝制备凝胶纤维具有显著的优势，可以连续生产直径几十微米到几百微米不等的纤维，最大长度可达数千米。Nie等[70]将防冻盐CaCl2引入PVA溶液中，再注入液氮凝固浴中获得了结构均匀但交联作用弱的聚合物链，并通过水蒸发诱导聚合物网络致密化使凝胶纤维进一步稳定。其具有优异的机械强度（5.99 MPa）、延伸性（600%）、韧性（14.2 MJ/m3）、高透明度（84%）、抗冻性（-196 ℃）、可编织性以及长期稳定性等（图15）。Wu等[71]通过湿法纺丝技术成功制备了PEDOT：PSS/PVA/Ag复合导电纤维。随着复合纤维中Ag颗粒的加入，纤维的表面电阻降低、拉伸强度达到40 MPa，断裂伸长率达到44.4%。

Zhou等[56]将PVA纺丝溶液注射到乙醇凝固浴中，然后转入柠檬酸钠溶液中进行溶剂交换再经拉伸退火处理从而获得高强度（141.67 MPa）、韧性（157.93 MJ/m3）和高含水量（40.6%）水凝胶纤维（图16）。

Lou等[72]利用连续同轴湿法纺丝制备了具有羟甲基丙基纤维素（Hydroxypropyl methylcellulose， HPMC）和PVA的芯层以及PVA壳层的凝胶纤维，再将纤维浸入NaCl溶液中，制成PVA@PVA-HPMC水凝胶纤维，该纤维具有显著的拉伸强度（6.7 MPa）、断裂伸长率（450%）、优异的导电性（9.23 S/m）和出色的耐冻温性（低于-20 ℃）。湿法纺丝生产效率较高，可连续化生产；能制备大直径、高强度纤维，适用于工业领域；可通过调整凝固浴成分和纺丝参数控制纤维结构。但是制备过程需大量溶剂和凝固浴，后续处理能耗高；溶剂回收困难，易造成环境污染。

3.5 微流体纺丝

微流体纺丝是利用微流体芯片产生的微通道，将PVA溶液与其他流体（如不相溶液体）在微通道内相互作用，形成均匀稳定的液流，经固化后制备PVA凝胶纤维的方法[58,73]。通过控制前驱体溶液的浓度和黏度、流速、凝固策略以及微流体芯片的通道几何形状，可以生产出尺寸和结构受控的纤维。Wang等[74]采用微流体纺丝技术制备了TEMPO氧化纤维素纳米纤维-石墨烯纳米片/PVA-海藻酸钠（Sodium alginate，SA）-单宁酸（Tannic acid，TA）（TOCN-GN/PVA-SA-TA简称为TGG）复合凝胶纤维，并达到了了0.96 MPa的拉伸强度、150%的断裂伸长率和2.66 S/m的导电性，同时表现出增强的能量耗散和抗疲劳性。

Zhao等[75]通过微流体纺丝制备了含有Ag+（AMOF）、Zn2+（ZMOF）和纤维素纳米晶体（Cellulose nanocrystals，CNC）的金属有机框架微粒的抗菌PVA凝胶微纤维，并表现出4.78 MPa的拉伸强度、768.3%的良好拉伸性能、良好的抗菌性能以及抗氧化性能（图17）。微流体纺丝可精确控制纤维尺寸和结构，能制备均一性好的纤维；可实现多种功能复合，制备具有特殊结构和性能的纤维。但是设备精密，成本高；微通道易堵塞，对溶液纯度和操作要求高；生产通量小，难以满足大规模生产需求。

3.6 3D打印

3D打印是将PVA凝胶材料按照计算机设计的三维模型，通过逐层堆积的方式，精确控制材料的位置和形状，最终打印成型为PVA凝胶纤维制品的方法。3D打印自1984年Chuck Hull发明立体光刻（SLA）以来，历经近40年发展形成完整技术体系。该技术突破传统减材制造限制，通过数字化模型直接构建三维实体，为制造业带来革命性变革[76]。主要应用于工业制造[77]、生物医疗[78-79]以及建筑领域[80-81]。当前存在材料性能受限、打印速度较慢以及后处理工艺复杂等瓶颈[82]。随着材料科学、数字孪生等技术的融合发展，其将在个性化定制、分布式制造等领域发挥更大价值[83]。

Wang等[84]利用3D打印技术将PVA基导电水凝胶微纤维构建为图案化电子皮肤。微纤维的机械性能（拉伸强度（85 kPa）、断裂伸长率（440%））和导电性（电导率为2.71 S/m）优异，所获得的电子皮肤显示出令人印象深刻的拉伸性和灵敏度（图18）。Cui等[85]结合静电纺丝和3D打印技术制造了以PVA和CS为基础的更精细、更均匀的纳米纤维。其在固定化木聚糖酶在降解玉米秸秆方面具有良好的催化效率。3D打印可实现复杂结构设计，制备个性化、定制化纤维产品；无需模具，生产周期短；能精确控制纤维空间结构和性能分布。但是打印速度慢，生产效率低；对材料流动性、固化性能要求高；设备成本高，打印精度受设备和材料限制，大规模应用存在障碍。

4 聚乙烯醇基凝胶纤维的应用

不同制备工艺制备的PVA基凝胶纤维因其优异的生物相容性、高吸水性以及可调控的力学性能，在生物医学、柔性电子、智能纺织品、自修复材料和超级电容器等领域展现出广泛的应用前景。

4.1 生物医学

PVA基凝胶纤维在生物医学中的应用主要包括伤口敷料、药物递送及组织工程三方面。

理想的伤口敷料必须兼具被动和主动保护，以促进伤口愈合。被动保护意味着它可以灵活地安装在受伤的区域，减少伤口与空气中的灰尘和细菌接触，并防止外部物理摩擦造成的二次损伤。就拉伸性能和弹性模量而言，大多数基于PVA的水凝胶纤维都适用于皮肤[86]。主动保护是指配备抗菌和抗炎功能，可以缓释药物杀死细菌或促进伤口愈合[87]。

PVA基凝胶纤维具有多孔的三维网络结构，能够高效吸收伤口渗出液，同时保持适宜的湿润环境，促进伤口愈合。通过引入抗菌剂（如银纳米颗粒、壳聚糖或抗生素），可赋予其抗感染功能，减少细菌滋生。此外，PVA基凝胶纤维的柔韧性和透气性使其能够贴合皮肤，减少更换敷料时的二次损伤[88]。Ju等[89]将抗生素替换为抗铜绿假单胞菌奈科噬菌体（能够杀死耐药细菌的高度特异性病毒）并与PVA溶液混合通过静电纺丝封装在同轴纳米纤维中。噬菌体负载的静电纺丝纳米纤维能够稳定长期储存、快速释放（10 min内）和缓慢释放（2 h）噬菌体，具有开发用于治疗抗生素耐药性感染的伤口敷料的潜力。Liu等[90]以SA、PVA和姜黄素（Curcumin， CUR）为原料，基于湿法纺丝技术和纬编技术研制出一种具有优异生物相容性、pH监测功能、药物缓释作用和吸液能力的新型纤维型医用敷料。CUR是一种从姜黄中提取的天然二酮化合物，除了抗菌和抗炎作用外，也是一种pH敏感物质（在不同的pH条件下呈现不同的颜色）。该凝胶纤维织物具有良好的溶胀性能、药物阻滞功能、透气性、透湿性和生物组织相容性。

Ding等[91]基于微流体纺丝技术，利用SA、微晶纤维素（Microcrystalline cellulose， MCC）、PVA和大戟制备了一种具有优异透气、抗菌和止血性能的新型纤维型医用敷料。其具有良好的溶胀性能（溶胀质量比为794%±7.3%）、合理的水蒸气渗透性（1311.30±14.6 g/m2·24 h）和孔隙率（>70%），有利于伤口愈合。此外，敷料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌显示出良好的抗菌活性（图19）。

PVA基凝胶纤维的高比表面积、良好的生物相容性、可调控的孔隙结构和易于封装亲水性药物的能力使其成为理想的药物载体[92]。载药量和递送率主要与水凝胶纤维的微观结构有关[93]。特定的微观结构使水凝胶纤维能够对伤口微环境的变化或某种物质的产生做出反应。Zhang等[94]使用蜂蜜和乙酰水杨酸包埋的基于天然共熔溶剂（Deep eutectic solvent，DES）的PVA纳米纤维开发了快速溶解的药物递送系统。该纳米纤维具有良好的生物相容性、在人工唾液中迅速溶解（能用于快速溶解在口腔中的药物递送）以及加速伤口愈合（能将手术六天后的大鼠皮肤愈合率提高到85.2%）（图20）。

Afzal等[95]利用湿法纺丝技术将含有PVA/聚己内酯（Polycaprolactone， PCL）和模拟药物的溶液挤出凝固浴中并固化，然后洗涤并干燥制备PVA/PCL纤维。其具有良好的拉伸性能（断裂伸长率为46.61%~102.73%）、足够的液体吸收率（PVA浓度为20%、PCL浓度为6%时，凝胶纤维在蒸馏水中的吸水率约为15 g/g）、溶胀率（PVA浓度为20%、PCL浓度为6%时，凝胶纤维在蒸馏水中的溶胀度约为108%）和降解率（PVA浓度为20%、PCL浓度为6%时，凝胶纤维的降解率约为15.4%）；并且具有良好的抗菌活性（抑制金黄色葡萄球菌），模型药物的药物释放曲线可控，适用于药物递送应用。

PVA基凝胶纤维的结构与天然细胞外基质（Extracellular matrix， ECM）相似，可提供细胞黏附、增殖和分化的理想微环境。通过复合胶原蛋白[87]、纳米纤维[96]和羟基磷灰石[97]等材料，可增强其生物活性和力学性能，适用于皮肤、软骨和血管等组织的再生[98]。Abdelaziz等[99]将富含多酚化合物的亚麻籽提取物掺入静电纺丝制备的PVA纳米纤维中，以改善它们在骨组织工程中的应用，促进成骨细胞功能并显著上调成骨细胞样细胞基因表达，展示其强大的骨组织再生潜力（图21）。

Gohari等[100]通过微流控纺丝与酶交联制备了负载人脂肪干细胞（Adipose-derived stem cells， ADSC）的PVA基凝胶纤维，其具有一定的机械性能（拉伸强度为413 kPa，伸长率为410%）、理想的细胞存活率（死细胞数量很少）和生长能力（14天时凝胶纤维中包埋的细胞线粒体活性值比未交联的凝胶纤维中高出三倍以上）。包封的ADSCs能在凝胶纤维内增殖和生长，并在单个和捆绑的结构中形成丝状细胞结构，可用于丝状组织工程（图22）。

4.2 柔性电子

PVA基水凝胶纤维设计的柔性电子器件主要是依靠压力、化学和温度[101]。纯PVA凝胶纤维电导率低，为了提高凝胶纤维的导电性，研究人员引入碳纳米颗粒（石墨烯）、碳纳米管、MXenes[84]、纳米金属颗粒[102]和聚吡咯等导电成分放入PVA凝胶纤维基质中，其电导率、灵敏度和稳定性得到提高。

Sun等[103]利用微流体纺丝技术开发了一种性能理想的全聚合物导电超细纤维（PU@PVA-PEDOT：PSS SI-CF），将具有半互穿网络的应变不敏感导电聚合物水凝胶芯构建到螺旋结构中。所制备的超细纤维表现出优异的拉伸性（高达500%）、高导电性（147 S/cm）、超电导应变不敏感性（100%应变时5%的超低电阻变化）以及优异的耐用性（2000次拉伸-释放循环），作为可拉伸电线、自供电传感器和电热加热器显示出巨大的柔性可穿戴电子设备应用潜力（图23）。Xue等[104]利用静电纺丝制备了一种用于多种绿色能源利用的高强度、高耐磨性和可降解性能的PVA基凝胶纤维，通过PVA与Zr4+、聚乙烯吡咯烷酮和CS的相互作用，提高凝胶纤维的力学性能（拉伸强度为6.7 MPa），并将其应用于可生物降解的摩擦电纳米发电机、自驱动湿度传感器和被动式日间辐射冷却。

4.3 智能纺织品

智能纺织品近年来受到了广泛关注。PVA基凝胶纤维具有良好的柔韧性和导电性（尤其是与碳纳米管、石墨烯或导电聚合物复合后），广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域，并从事健康监测、疾病诊断和治疗过程[105]。导电水凝胶纤维在受压变形、温度或环境变化时电阻会变化，这是其作为纤维基智能纺织品的基础[106-107]。例如，Cheng等[108]通过湿法纺丝将PVA/水性聚氨酯/MXene挤入CaCl2凝固浴中制备的可拉伸传感器。其具有优异的机械性能和电学性能（当断裂伸长率超过358%时，凝胶纤维灵敏度为5.61），可以根据实际需求编织成各种织物形式。

此外，当盐离子被引入PVA网络时，它们可以赋予水凝胶纤维离子导电性[69,109-110]。许多研究人员将二元溶剂与PVA凝胶纤维结合起来，克服了离子导电水凝胶纤维在低温条件下的有限使用，制备了性能优异的耐寒电子皮肤和传感器[111-112]。Hu等[113]利用湿法纺丝、溶剂置换和多级氢键增强的策略，构建了连续的PVA共凝胶纤维，实现了高强度（37.3 MPa）、高应变（>700%）、高导电性（0.543 S/m）和高环境稳定性（极端干燥和-60 ℃低温环境下纤维稳定性优良）纤维的连续生产，并体现了在可穿戴应变传感器和监测生理信号方面的潜力（图24）。Zhu等[114]通过简单的微流体纺丝制备了氧化纤维素纳米纤维-MWCNT/PVA-SA-TA水凝胶纤维。所制备的纤维表现出优异的机械性能（8.06 MPa的拉伸强度和438%的断裂应变）。在-20 ℃下表现出显著的导电性（1.57 S/m）和防冻性能。基于此凝胶纤维的传感器检测范围广（0~250%）、灵敏度高、快速响应时间短（120 ms）和抗疲劳性出色（500次循环），能够成功检测人体运动，在智能可穿戴纺织品领域的应用中有巨大的潜力。

4.4 自修复材料

PVA分子链中的动态氢键和可逆交联结构使其具备自修复能力。当材料受到机械损伤时，其分子链可重新结合，恢复原有性能。

理想的自修复材料应该能够相对较快地恢复原有性能[115]。基于PVA的水凝胶纤维的自修复能力主要依靠分子链中的动态共价键的可逆断裂和重建以及动态氢键[116]。当材料受到机械损伤时，其分子链可重新结合，恢复原有性能。截至目前，可逆化学键（包括二硫键[117-118]、硼酸酯键[105]、Diels-Alder反应和可逆自由基反应）和非共价相互作用（包括疏水相互作用、主客体相互作用、氢键和各种弱分子相互作用）已被用于制造自修复水凝胶纤维。

Zhu等[119]制备了一种基于MOF的PVA基水凝胶纤维随机激光器，可以承受极端损伤。由于PVA水凝胶纤维中的动态化学键合，基于MOF的光纤随机激光器表现出优异的自修复能力（完全断裂也可恢复其初始形态和性能）（图25）。Ma等[120]以PVA纤维为原料，通过表面亲水改性制备高吸水性凝胶纤维。PVA纤维表面改性后，羧酸钠等亲水官能团成功引入纤维表面，增加了纤维表面的粗糙度以及羧酸钠等亲水官能团与水泥基体的接触度。纤维的吸水性能得到改善（提高了53.6倍），从而可以促进水泥在裂缝处的持续水化反应，提高了改性纤维的吸水率（74.1倍）和保水率（93%），并实现了力学性能的恢复（抗压强度提高）和内部裂缝的自修复（其恢复率高于普通水泥）。

4.5 超级电容器

PVA基凝胶纤维具有高比表面积和优异的离子传输能力，可作为超级电容器的电极或固态电解质。通过引入导电材料（如聚苯胺、MXene或还原氧化石墨烯），可显著提升其电化学性能，实现高能量密度和快速充放电，适用于柔性储能设备。

Xu等[121]制备了一种包裹着一层由还原氧化石墨烯改性棉纤维（Reduced graphene oxide modified cotton fiber， rGCF）制成的蓬松柔软的敏感薄膜的水凝胶纤维基柔性超级电容器。其表现出优异的抗溶胀性、拉伸性能（断裂伸长率高达300%，拉伸强度为1 MPa）、优异比电容（618 F/g）、高能量密度（37.3 Wh/kg）（图26）。Yu等[122]通过湿法纺丝制备了具有良好拉伸性和电化学性能的MXene/PVA纤维，用于纤维基超级电容器。作为一种高效的储能装置，其具有高重量电容（119.3 F/g）和面电容（130.9 mF/cm2），在多种机械状态下具有很强的耐用性，拉伸后具有稳定的电化学行为。

5 结论与展望

PVA基凝胶纤维作为一种多功能材料，展现出广阔的应用前景。其既能拥有水凝胶基质的功能性与生物相容性，又可以具备纤维的生产效率高、应用领域广的优点。

本综述首先对PVA基凝胶纤维的交联方法进行了分类，主要分为物理交联凝胶纤维和化学交联凝胶纤维两种。物理交联过程简单，无需使用有毒有害的化学交联剂，但形成的凝胶纤维网络结构稳定性较差，交联强度较低，限制了其在一些对强度和稳定性要求较高领域的应用。化学交联形成的凝胶纤维交联网络结构稳定，交联强度高，但通常需要使用化学交联剂，部分交联剂具有毒性，对环境和人体健康造成潜在危害。不同的交联方法决定了后续制备工艺的选择。本文总结了制备PVA基凝胶纤维各种方法：（1）模具法操作简单但是生产效率低且制备的凝胶纤维表面质量依赖模具精度，难以大规模应用；（2）浸涂法是在纤维基材上进行表面处理工艺简便，对基材适应性强，能实现多功能复合，但是涂层厚度不易精确控制，均匀性较差；（3）静电纺丝可制备纳米级超细纤维，通过调节参数改变纤维形态和结构，但对溶液以及设备有所要求，限制了其大规模工业化生产；（4）湿法纺丝生产效率高可连续化生产，能制备大直径、高强度纤维，适用于工业领域，但后续处理能耗高；（5）微流体纺丝可精确控制纤维尺寸和结构，实现多种功能复合，制备具有特殊结构和性能的纤维。但是所需设备精密，微通道易堵塞，生产通量小，难以满足大规模生产需求；（6）3D打印可实现复杂结构设计，制备个性化纤维产品，能精确控制纤维空间结构和性能分布。但是打印速度慢，生产效率低，对材料流动性、固化性能要求高，设备成本高，大规模应用存在障碍。最后还详细讨论了不同制备工艺制备的PVA基凝胶纤维在生物医学、柔性电子、智能纺织品以及超级电容器等领域的应用。

当前，PVA基凝胶纤维材料的研究虽已在合成方法与功能探索方面取得显著进展，但其从实验室走向实际应用仍面临多重挑战。在结构上，均质、无序的单极网络设计无法同时有效耗散能量导致其深陷“强度-延展性”矛盾的桎梏；在性能上，溶剂挥发、机械疲劳及环境敏感性等问题严重制约了其长期稳定性；在应用上，实验室的湿法纺丝、拉伸成型、以及静电纺丝等方法难以实现千米级以上的连续、高速、稳定生产，阻碍了其产业化进程。展望未来，突破这些瓶颈亟需一场从理念到技术的转变。未来的研究应（1）致力于通过仿生多级结构设计（如构建纳米纤维增强的刚柔并济体系）和动态交联网络（如在共价键构成的稳定网络中，引入离子配位键、氢键、主客体相互作用等动态非共价键）打破强度-延展性矛盾。（2）致力于实现PVA基凝胶纤维性能智能化与稳定化。如通过封装策略以及本征抗干策略来进行界面调控并提升凝胶纤维的长期稳定性。同时，致力于实现PVA基凝胶纤维可降解与绿色环保，通过引入酯键、肽键等可水解或酶解单元，使其在使用寿命结束后可控降解，满足环境友好需求、摒弃有毒有机溶剂，转向以水、离子液体或超临界二氧化碳为介质的“绿色”加工体系。（3）致力于跨学科融合与创新。利用高导电、高拉伸的PVA基凝胶纤维编织成可拉伸导体或生物电极、将凝胶纤维与传统纺织纤维（棉、涤纶）进行交织或复合，开发具有调温、调湿、发光或颜色变化功能的智能织物。最终，通过这些“结构-性能”一体化的创新，有信心将下一代高性能凝胶纤维，精准地应用于智能可穿戴设备、人机交互及生物医学工程等领域，实现从基础研究到产业价值的实质性跨越。

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宁夏回族自治区重点研发计划社发领域重点项目(2022CMG02006)

天津市重点研发计划科技支撑重点项目(20YFZCSN00130)

黑龙江省中央引导地方科技发展资金成果转移转化类项目(ZY23CG35)

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