柔性可穿戴电子产品在储能器件、人体健康监测、摩擦纳米发电机（TENG）等方面具有广阔的应用前景。电子器件的蓬勃发展促使我们开发具有优异的拉伸性能、高灵敏度和良好的生物相容性的导电材料。可拉伸导电水凝胶作为一类拥有良好柔韧性、生物相容性和可拉伸性的典型“软湿”材料，在柔性电子器件领域展现出广阔的应用前景。然而，常规水凝胶的机械强度通常较差，在实际应用中传统水凝胶的网络结构不可避免地在外力作用下而遭到破坏，这严重影响了水凝胶器件的使用寿命。

  近年来，湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组围绕水凝胶增强增韧、功能化的基本理论以及在柔性可穿戴设备中的应用开展相关研究。最近，课题组首次将近红外光响应的光热转换试剂Sb₂S₃引入到水凝胶中并赋予其优异的光致自修复性能。作者在PVA/pHEAA双网络凝胶体系中加入作为交联剂和导电填料的Sb₂S₃@PPy-DA，构建了近红外光诱导快速自修复导电水凝胶，并将其组装成应变传感器用于肢体运动传感和生物电极用于人类心率监测，进一步构建出自供电传感设备用于人体活动探测和识别书写信号。论文第一作者为湖南工业大学生命科学与化学学院许利剑教授，通讯作者为湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授和余茂林博士，研究成果发表在中科院一区TOP期刊Nano Energy上。

图1 SPOH水凝胶的制备和应用示意图

图2 SPOH水凝胶的自修复性能

  由于光热试剂Sb₂S₃在近红外光的激发下会产生局部高温，促进水凝胶中断裂的分子链重组。研究表明，在2 W/cm²的近红外光照射90秒后，水凝胶的温度可以从20.4 °C显著升高升至77.4 °C，而且断裂胡水凝胶能够快速的自愈合，并且其力学性能恢复至断裂前胡100%。而经水处理12小时后的力学性能仅能回复至原来的10.4%，说明了光热转换试剂的引入能够有效促进水凝胶的自修复过程，为实现水凝胶的可重复利用，延长材料的使用寿命奠定了良好基础。

图3 （a）SPOH应变传感器的动态拉伸灵敏度；（b）实时监测SPOH 应变传感器在（c）小应变（10%-80%）和（c）大应变（100-500%）范围内的相对电阻变化率；基于SPOH传感器对关节运动响应的相对电阻值变化：（d）肘关节；（e）手腕；（f）膝关节；（g）具有无线监测功能的SPOH传感器连接的（g）实物图及（h）示意图；（d）SPOH传感器被用于活动能力受限的患者的监护器示意图。

  SPOH传感器具有较高的灵敏度，可以贴在各种关节部位实现实时监测。进一步，我们将SPOH传感器、带蓝牙模块的数字万用表和手机组成一套检测系统（图3）。可穿戴柔性传感器通过数字万用表收集和处理人体活动信息，采用手机应用程序可以实时监测电阻的变化。将可穿戴传感器穿戴在食指上，当食指正常伸直时，系统运行稳定，当手指弯曲时，电阻变化信号会急剧增加，若弯曲导致超过了设置阈值，手机应用程序将会启动报警提醒。这套检测系统有望给活动能力受限患者的康复治疗带来新希望。

图4（a）SPOH生物电极的监测照片；（b）SPOH生物电极和（c）商业银/氯化银电极的样品图；SPOH生物电极的（d，e）初始和（f，g）自修复后以及在（d，f）静止和（e，g）运动状态的心电图。插图：相应的放大图。

  心电图可以为病人的病情诊断和康复提供重要的信息，目前临床上广泛采用金属电极进行实时监测。然而，坚硬的金属电极材料灵活性较差，无法完全贴合柔软的人体皮肤，在监测过程中由于与皮肤的接触摩擦会引起皮肤不适。水凝胶电极在继承金属的良好导电性的同时，还具备一定的柔软性，舒适度更高。基于此，我们将抗冻保湿性较好的水凝胶SPOH作为电极贴在手腕上，用于检测实时心电图，并且自修复后的水凝胶电极几乎和初始状态的心电图一致，展现出水凝胶电极良好的再现性（图4），与金属电极相比，水凝胶电极监测完后不会引起皮肤过敏等不良反应，有望为新一代电子健康监测产品的开发提供新思路。

图6 不同拉伸状态产生的输出电压和身体运动监测的SPOH自供电传感器。（a）屈腕；（b）屈腿；（c）屈指；（d）指尖按压；（e）不同频率下的按压；(f)识别书写文字。

  摩擦纳米发电机（TENG）通过接触起电和静电感应的耦合将外界机械能转化为电能的新兴技术。目前，绝大部分TENG电极为刚性的金属材料，这会导致电极在遭受破坏后无法恢复，影响器件的电输出性能。针对以上问题，将具有自修复功能的柔性导电水凝胶作为TENG电极被认为是一种有前途的解决方法。将水凝胶SPOH用硅橡胶包覆，制备了一种自供电传感器。测试结果显示，该TENG能够产生较好的电输出性能（图5），并且实现了对各种人体活动的探测和书写信号的识别（图6），在可穿戴自供电人体运动监测和高精度笔画识别方面展现出巨大的应用潜力。

  论文信息：Lijian Xu, Yin Chen, Maolin Yu*, Mengjuan Hou, Guo Gong, Haihu Tan, Na Li, Jianxiong Xu*, NIR light-induced rapid self-healing hydrogel toward multifunctional applications in sensing, Nano Energy 2023, 107, 108119.

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108119.

作者简介：

许建雄，教授，博士（后），湖南工业大学生命科学与化学学院副院长，博士生导师。入选湖南省121创新人才、湖南省青年骨干教师、株洲市青年托举人才、湖南工业大学“精英人才”。主持国家自然科学基金面上项目及青年项目2项，中国博士后科学基金2项，湖南省自然科学基金，湖南省教育厅重点项目等省级科研项目6项，企业横向课题2项。累计发表SCI源刊论文64篇，被他引920余次，单篇通讯作者论文最高他引达84次，H-index为18。近年来，围绕功能性水凝胶的制备及其在柔性可穿戴传感器中的应用开展研究，取得了一系列具有研究特色和创新性的研究成果。近5年在Nano Energy、Journal of Hazardous Materials、Materials Chemistry Frontiers、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry C、Gels等化学和材料领域知名期刊上发表第一或通讯作者论文29篇（其中IF > 5.0 的论文15篇，ESI高被引论文2篇），获国家授权发明专利5项，湖南省自然科学三等奖（排名第一），中国包装联合会行业科技进步技术二等奖（排名第二）。