山东大学谭业邦教授团队 CEJ：金字塔结构与超分子相互作用协同构筑的双层水凝胶 - 用于稳定的运动传感器和人机界面

2023-06-03 来源：高分子科技

近年来，为了满足随着人机交互领域的蓬勃发展所带来的产品需求，用于代替一体化水凝胶的双层水凝胶应运而来。然而，通过一般方法构筑的双层水凝胶的界面稳定性和安全粘附能力受到了极大的挑战，不足以满足复杂环境中的信号接收和传输需求。

近日，受具有良好动态性、稳定性的超分子相互作用与广泛用于压力传感器的金字塔结构启发，山东大学谭业邦等人在前期实验的基础上（Journal of Materials Chemistry C 2022, 10 (20),8077-8088. Carbohydrate Polymers 2022, 295,119890.）合理调控水凝胶的设计模型和构筑因子，通过层层聚合策略制备了具有稳固接触界面和综合性能的双层水凝胶以应对相关缺陷。十二烷基硫酸钠胶束和甲基丙烯酸十四酯之间的疏水缔合作用赋予了含有金字塔结构的导电层水凝胶良好的交联网络和非粘附性能。丙烯酰化葫芦[7]脲和大量氢键赋予了粘附层水凝胶优秀的安全粘附能力。在两层凝胶间形成的金字塔类榫卯结构的协同下，氢键和主客体作用前所未有地稳定了双层水凝胶界面处的接触能力，极大地提高了双层水凝胶在运动传感、人机交互领域中的应用潜力。

图片摘要

图1. (a) A_xC_y双层水凝胶制备示意图；(b)水凝胶中的聚合物网络示意图；(c)双层水凝胶界面处的主-客体相互作用和导电层水凝胶中的疏水相互作用。

图2. 双层水凝胶的示意图及力学性质。

金字塔结构大大提高了双层水凝胶接触界面处的稳定性，两层凝胶间的界面粘附能是平面结构的15.6倍。

图3. 双层水凝胶的粘附机理及粘附表现。

揭示了葫芦[7]脲对粘附层水凝胶的增粘机理：可聚合且空腔不被占据的葫芦[7]脲可以提高水凝胶的粘附能力。基于葫芦[7]脲的粘附层水凝胶对各种基底具有良好的粘附能力。

图4. 粘附层水凝胶的生物相容性。

通过三种细胞的毒性实验验证了粘附层水凝胶的生物相容性，以用于安全的人机界面。

图5. 双层水凝胶用于人体运动感知。

此种双层水凝胶同时具备横向、纵向导电的能力，可以横向应用于应变传感器；纵向应用于凝胶电极以监测生理信号。

图6. 双层水凝胶用于监测生理信号。

相关成果以“Pyramid structure-inspired biocompatible bilayer hydrogel based on supramolecular interactions for stable human-machine interface”为题发表在Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2023.143354）上。山东大学化学与化工学院博士研究生王程昱为本论文的第一作者，通讯作者为山东大学化学与化工学院谭业邦教授。感谢国家自然科学基金（21374045）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143354

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（责任编辑：xu）

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