江南大学陈明清/施冬健课题组 ACS AMI：基于离子导电水凝胶的高灵敏度应变传感器

2022-10-15 来源：高分子科技

可穿戴、可植入式电子器件被广泛用于人体运动跟踪和医疗保健监测。然而，大多数的传感器件需要添加额外的导电介质（例如离子盐、金属纳米颗粒和碳基纳米材料等）赋予其电信号检测能力，但同样也带来了诸如离子不良扩散，金属腐蚀以及不透明等问题。此外，柔性材料与生物组织之间的力学匹配性对于生物电子器件的可靠性和灵敏度也至关重要。因此，开发具有与生物组织力学性能相近、高含水量、视觉透明和高灵敏度的离子导电水凝胶基传感器仍然具有一定的挑战。

鉴于此，江南大学陈明清/施冬健教授课题组以聚电解质微凝胶作为电中性水凝胶基体的导电介质，聚电解质微凝胶释放的离子可以被带有相反电荷的聚合物链约束在微凝胶周围，从而避免了离子在水环境中的不利扩散。此外，具有无序多孔结构的微凝胶可以作为分子链的聚合反应空间，辅助分子链之间相互缠结。通过这种方式，每个微凝胶可以充当水凝胶基体网络中分子链缠结的微区域（图1），从而有效地提高了水凝胶的力学强度。研究人员通过简单的复合方式将聚丙烯酸钠水凝胶微球（PAAS微凝胶）加入到聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶中，赋予了复合水凝胶高拉伸强度（0.26-0.99 MPa）和低初始模量（E₀=22.61-112.45 kPa），达到了生物组织的力学水平，同时保持视觉透明性和高含水量（63.40-84.74 wt%）。

图1 PAAS Microgel/PAAm水凝胶制备过程

该复合水凝胶组装的应变传感器具有高灵敏度，其GF值可以达到6.78（λ=300%）。对高灵敏度的贡献主要来源于两方面原因，除了材料的变形引起的电阻变化外。在材料内部，聚丙烯酰胺分子链缠结两个带电PAAS微凝胶，因此，可视为具有三明治夹层结构的电容器；PAAS微凝胶之间的距离沿拉伸方向发生变化即会引起电容的相应变化，从而可检测人体的微小活动（图2）。

图2 PAAS Microgel/PAAm水凝胶基应变传感器传感性能

该研究工作最近以“High-Sensitivity Flexible Sensor Based on Biomimetic Strain-Stiffening Hydrogel”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是江南大学化学与材料工程学院博士研究生崔建兵，通讯作者为江南大学化学与材料工程学院陈明清教授和施冬健教授。该工作得到国家自然科学基金和江苏省自然科学等项目的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c15203

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（责任编辑：xu）

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