湖南工大经鑫教授课题组 Small：“缠结域”策略构筑MXene交联的低滞后导电水凝胶

2024-05-02 来源：高分子科技

柔性传感器作为智能可穿戴设备的核心部件，在拉伸、弯曲、折叠等复杂状态下仍能正常工作，被广泛应用于电子皮肤、健康监测和人机交互等方面。其中，水凝胶作为一种典型的湿软材料，因其具有良好的生物相容性和优异的性能可调性，被认为是设计开发智能可穿戴设备的理想选择之一。湖南工业大学经鑫教授研究团队近年来致力于设计开发具有高稳定的导电水凝胶材料：（1）利用贻贝仿生改性氧化石墨烯及MXene等填料，设计开发了一系列具有高导电性及长期稳定性的导电水凝胶材料（Journal of Materials Chemistry C, 2022,10, 11914-11923; Journal of Materials Chemistry C, 2022,10, 8266-8277; Composites Part B: Engineering, 2024, 272, 111191; Carbohydrate Polymers, 2024, 335, 122048; Advanced Functional Materials, 2023, 33(15):2213895）等；（2）通过化学接枝、表面改性，设计开发了一系列具有高输出性能及高稳定性的自供电柔性传感器（ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 13, 14, 16916-16927；Journal of Materials Chemistry C, 2020,8, 5752-5760；ACS Applied Materials & Interfaces，2020, 12, 20, 23474-23483）。

传统的化学交联水凝胶的网络结构通常不均匀，由不同长度的聚合物链组成，在化学交联点相互链接。这种非均质性的网络结构导致短链在张力作用下过早断裂，破坏了材料的能量耗散能力，导致显著的机械滞后；此外，MXene物理交联的水凝胶在外力作用下往往表现出明显的机械滞后，这对其在循环载荷下的长期稳定性提出了严峻挑战。

为了解决上述问题，湖南工业大学经鑫教授课题组利用MXene作为物理交联剂结合紫外光引发高浓度丙烯酰胺单体，成功制备了MXene交联的低机械滞后水凝胶，并创新性的提出了“缠结域”的概念。MXene纳米片层与长分子链之间相互缠结，形成以MXene为中心、丙烯酰胺分子链为外层结构的缠结域，提高应力传递的效率，从而降低了水凝胶的机械滞后；与此同时，大量的缠结点保证了水凝胶网络结构的稳定性（图1）。该工作以“MXene Crosslinked Hydrogels with Low Hysteresis Conferred by Sliding Tangle Island Strategy”为题发表在《Small》上（Small, 2024, 2401622）。

图1 . MXene交联的低滞后水凝胶的结构示意图

通过结合XPS，FTIR，DSC以及AFM等表征结果，证明了MXene与聚丙烯酰胺长分子链之间的相互作用：MXene能够与聚丙烯酰胺长分子链相互缠结形成缠结域，从而作为应力传输的枢纽，提高应力传递效率，降低水凝胶的机械滞后（图2）。

图2. MXene与聚丙烯酰胺长分子链形成缠结域

通过改变MXene的浓度，探究不同复合水凝胶的滞后特性，从而确定最佳的MXene浓度为2 mg/mL。加载和卸载曲线几乎重合，证明了P₁M₂水凝胶的低机械滞后和优越的回复能力。此外，在后五个循环中，峰值应力和能量耗散基本上没有发生变化，表明P₁M₂水凝胶卓越的稳定性和可靠性（图3）。

图3. 水凝胶的机械滞后行为表征

P₁M₂水凝胶基应变传感器展现出了优异的传感性能，在0%~150%和150%~350%两个区域内对应的GF分别为2.68（R²=0.989）和5.98（R²=0.993）；同时还表现出了快速的响应性能（响应时间~40 ms，回复时间~50 ms）和出色的长期稳定性。另外，将该水凝胶组装成水凝胶电极贴片，可以实现心电信号的监测，并且其输出信号可以媲美商用凝胶电极贴片。我们还将该水凝胶基传感器应用于人体运动监测和手写识别等领域，具有优异且可靠的信号输出，能够实现运动动作和书写笔迹的实时监测（图4）。

图4. P₁M₂复合水凝胶的传感行为表征及其在人体运动监测和手写识别的应用

湖南工业大学包装与材料工程学院硕士研究生邹健为本文第一作者，湖南工业大学包装与材料工程学院经鑫教授为本文的通讯作者。该工作得到了湖南省研究生科研创新基金，湖南省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202401622

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（责任编辑：xu）

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