南开大学孙平川研究员/伍国琳副教授团队《Mater. Horiz.》：新型超韧、高灵敏度水凝胶传感器的构建

2022-10-10 来源：高分子科技

水凝胶传感器，也被称为 "电子皮肤"，因具有类似于人体组织的优良机械和生理特性，而被广泛应用于包括健康监测、运动识别和信息加密传输等领域，并有望成为下一代柔性可穿戴设备。然而，这些离子导电水凝胶材料通常表现出低韧性、有限的响应性，以及在反复形变下信号检测的快速衰减。此外，为适应复杂溶剂环境并保持其稳定性，抗溶胀性能也是必要的。因此，制备具有超高韧性、快速响应性和抗溶胀性的水凝胶传感器将会是未来可穿戴设备的发展趋势。

受生物组织多尺度非均质结构启发，南开大学孙平川/伍国琳团队，利用多重非共价相互作用匹配原理和逐步构建策略，成功制备了一种具有抗溶胀特性的动态交联、超韧和高灵敏度的水凝胶传感器。该水凝胶具有优异的力学性能，包括断裂伸长率（>2000%）、韧性（~60 MJ×m^-3）和恢复率（>88.2%）。值得注意的是，即使在不同pH值（2-11）和溶剂的溶液中，也表现出良好的抗溶胀性能。此外，由于动态离子(Fe³⁺， Na⁺， Cl^-)的存在，该水凝胶进一步表现出快速响应性（47.4 ms）和高灵敏度。因此，可以实现对人体不同运动状态的监测，以及根据摩斯密码表实现对信息的加密解密，为开发具有多功能传感功能的离子导电水凝胶提供了一种可行的解决方案。

图1 (a) BA-A和P(AM-BA-A-AA)的合成路线。(b) 双网络动态交联水凝胶的制备过程示意图。

图2 (a)低场MSE-FID NMR信号;(b)归一化DQ强度与DQ激发时间的函数关系;(c)对归一化DQ曲线拟合得到的D_res分布曲线;(d) P-水凝胶，(e) C-水凝胶，(f) E-水凝胶的SEM图像。

图3 (a)字母、数字和符号表中摩斯密码的相应符号;(b)手指弯曲相对电阻的变化及对应摩斯密码记录点和线;(c)记录不同英文字母，(d)短语“I LOVE NKU”以及不同数字和符号。

水凝胶非均质网络结构是由“柔性”疏水共轭微区结构域与分子间/分子内氢键、π -π堆积以及通过强离子配位相互作用形成的“刚性”交联结合而成，可逆交联的协同作用和刚柔组分含量的变化实现了对水凝胶结构灵活有效的调控。此外，强配位相互作用和疏水聚集的引入也赋予其优异的抗溶胀性能，流变学和质子多量子（MQ）核磁共振波谱系统地验证了材料的粘弹性行为和异质结构演化规律。该水凝胶具有高灵敏度（GF=0.862）、快速响应性和循环稳定性，结合摩斯密码，能够实现信息加解密领域的应用。因此，这项工作为制备柔性可穿戴设备和扩展在生物传感器、健康监测和信息加密传输中的应用提供了新的视角。

相关研究成果以“Bio-inspired, Ultra-tough, High-Sensitivity, and Anti-swelling Conductive Hydrogel Strain Sensor for Motion Detection and Information Transmission”为题发表在国际著名期刊Materials Horizons。南开大学孙平川研究员和伍国琳副教授为该文章的通讯作者，南开大学博士邸祥为本文第一作者（目前就职于华北电力大学环境科学与工程系）。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/MH/D2MH00456A

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（责任编辑：xu）

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