港中深唐本忠院士/北理工黎朝 AM：基于AIE活性纳米复合水凝胶的可穿戴交互式信息-传感材料

2024-03-23 来源：高分子科技

可视化交互式电子应变可穿戴传感器在人体活动监测和个人健康管理等领域具有应用前景。赋予传感器发光功能是可视化的有效途径，符号信息的引入能够增强变化的可识别性。因此，可同时实现应变依赖的发光符号信息和电信号变化的可穿戴传感器具有重要价值，其开发具有挑战，协同复杂材料多组分实现多功能集成是关键。

图1. 本工作开发的水凝胶基可穿戴交互式荧光信息-电子应变传感器示意图。

香港中文大学（深圳）唐本忠院士与北京理工大学黎朝副研究员团队合作，提出凝胶单组分多任务策略，结合聚集诱导发光（AIE）和基于纳米粘土的纳米复合（NC）水凝胶，开发了可穿戴荧光信息-电子应变传感器（图1）。在该传感器中，纳米粘土扮演了“一石三鸟”的作用：①引入水溶性阳离子AIE化合物（AIEgen），通过静电相互作用吸附于表面带负电荷的纳米粘土上，粘土的刚性有效束缚了AIEgen分子内运动，实现“点亮”型荧光；②纳米粘土可电离Na⁺，赋予凝胶离子导电性和优异的应变传感性能；③纳米粘土还赋予凝胶优异的拉伸性能，在此基础上引入微量化学交联点于凝胶聚合物网络中，使凝胶表现出出色的回弹性。还引入支链淀粉（AP）于凝胶网络中，赋予了凝胶皮肤粘附性和优异的细胞相容性。

图2. AIEgen、AIEgen/粘土和水凝胶体系的荧光行为研究。

设计合成的阳离子AIEgen（(Me₃N)₄-TPE⁴⁺）具有典型AIE行为（图2b、c），并可与纳米粘土（Laponite XLS）发生静电相互作用实现“点亮”型荧光（图2d – f），并可在NC水凝胶上实现高对比度荧光（荧光强度增加80倍）的引入（图2g、h）。所开发的凝胶在AP含量2 wt%时，猪皮粘附强度为11.4 kPa（图3a），还表现出对铜、橡胶和纸的粘附性（图3b、c）；凝胶具有优异的细胞相容性（图3d、e）；凝胶拥有优异的拉伸性能（断裂应力：0.98 MPa，断裂应变：1170%）（图3f、g）、回弹性（弹性恢复率：97.8%）（图3h、i）和抗疲劳性能（图3j）；凝胶有良好的导电性（图4a）和出色的应变传感性能（应变系数（GF）可达10.9）（图4c – f），可进行手指、手腕、手肘屈伸的监测（图4g – i）。

图3. 水凝胶粘附性、力学性能和生物相容性研究。

图4. 水凝胶导电性和应变传感性能研究。

高对比度和灵活的信息录入，以及面向可穿戴场景，协同柔性材料形变实现信息变换，具有重要价值。研究人员以AIEgen水溶液作为“墨水”，借助激光雕刻制备的刻有符号图案的柔性印章，将墨水印于凝胶上，可实现高对比度荧光符号信息的录入（图5a），将此过程命名为荧光转移点亮（FTL）印刷，荧光转移印刷可为信息的录入提供更高的灵活性。符号信息，包括条码和文字，由许多子图形组成，它们的形状、间距、排列等赋予了符号可识别的唯一性。柔性膜材料在拉伸状态下面积增加，为新符号信息的录入提供了空间，此时录入的符号，在材料恢复时可收缩融合。在材料原始状态下录入第一重符号，在拉伸状态下，在第一重符号子图形区域录入第二重符号，材料恢复后，第二重符号收缩融合成第一重符号的子图形，再次拉伸下，即可实现信息的拓展和变换。以此策略，结合NC水凝胶和AIE活性墨水，进行嵌套信息（文字@二维码）的录入，实现了拉伸介导的信息变换（图5b）。由于凝胶具有基于电信号的应变传感功能，将其贴附于手肘，即可实现手肘屈伸介导的交互式荧光信息变换和电信号传感（图5c）。

图5. 结合水凝胶、AIE活性墨水、FTL技术实现多重嵌套荧光信息的录入(a)和拉伸介导的信息拓展和变换(b)，以及所开发的可穿戴传感器实现手肘屈伸响应的交互式荧光信息-电信号变化。

研究人员还进一步将材料力学性能、荧光信息、和电信号随拉伸的同步变化进行了定量化研究，展示了三者同步变化的组合曲线（图6）。

该荧光信息-电子应变传感器为多功能材料的构建提供了策略，为下一代交互式设备的开发提供了思路。该传感器在可穿戴设备、人机界面、软体机器人和人工智能领域具有潜在应用价值。

图6. 所开发的传感器的荧光信息/相对电阻变化-应变/拉伸应力-应变组合曲线。

文章以“From Fluorescence-Transfer-Lightening-Printing-Assisted Conductive Adhesive Nanocomposite Hydrogels toward Wearable Interactive Optical Information-Electronic Strain Sensors”为题，发表在Advanced Materials杂志上，香港中文大学（深圳）唐本忠院士和北京理工大学黎朝副研究员为共同通讯作者。

文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400085

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（责任编辑：xu）

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