西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 AFM：应用于多模态监测和紧急预警系统的亲肤性自增强水凝胶基柔性电子器件

2023-04-25 来源：高分子科技

在柔性电子器件领域，水凝胶材料因天然的类组织特性和多功能性而具有极大的应用潜力。然而，机械强度不足和抗疲劳性差的传统水凝胶在受到长周期、多频率的应力时会发生破损或失去稳定性，这限制了该材料长期应用的可能。在复杂的应用场景如智能健康医疗、人机交互设备中，迫切需要开发一种可以在使用中增强的亲肤性高强度水凝胶，满足可穿戴健康电子器件长期稳定使用的需求。

近日，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授借鉴高分子材料自增强的概念，开发了一种具有良好生物相容性的自增强水凝胶，实现柔性电子材料越用越强目的。

该水凝胶通过三重牺牲交联结构设计实现了力学性能的大幅度增强：其中纳米凝胶充当强牺牲交联（用纳米凝胶形变来牺牲应力对化学交联的破坏），可逆离子相互作用充当弱牺牲交联（利用弱静电键断裂来牺牲应力对化学交联的破坏），聚合物链纠缠作用充当物理牺牲交联（利用破坏范德华力来牺牲应力对化学交联的破坏）（图1）。该两步法制备的水凝胶具有1900%的高拉伸率，在1000次压缩循环测试中，残余应变低于10%以及初始应力保持高于95%，并具备抗刺戳特性（图2）。

图1. 三重牺牲结构水凝胶的制备流程以及示意图

图2. 水凝胶配方调控以及相关力学性能测试图

该工作中所制备的水凝胶具有人体汗液诱导自增强效果，通过仿生汗液反复浸泡，水凝胶内部离子浓度逐步降低引发分子链结构内部静电相互作用逐步增强来实现水凝胶自增强。同时，在水凝胶制备过程中已经证明了凝胶内部优先生成了大量纳米凝胶交联剂，这种纳米凝胶在抗凝胶撕裂过程中起到分散应力集中现象作用，使得水凝胶增强能力得到进一步提高（经过6次循环处理后拉伸强度增强了近500 kPa，杨氏模量增加了4倍）（图3）。

图3. 水凝胶自增强机制研究

考虑到可穿戴柔性健康电子器件直接与皮肤接触的需求，进行了粘附性测试以及相关皮肤组织相容性测试。验证了其粘附性满足可穿戴健康电子器件的应用需求，同时良好的皮肤组织相容性也满足在人体体表直接贴敷使用目的。此外，课题组将水凝胶制备成用于传感及心电、肌电等生理电信号采集功能的柔性电子器件（图4），并将柔性电子器件集成为一套用于急性心肌梗死场景的紧急预警系统，有望实现水凝胶基柔性电子器件的应用实践及产业化推广。

图4. 自增强水凝胶基柔性电子器件在传感及生理电信号采集中的应用

该工作以“Self-Reinforced Hydrogel-Based Skin-Contactable Flexible Electronics for Multimodal Electrophysiological Signal Monitoring and Emergency Alarming System”为题发表在Advanced Functional Materials上。西北工业大学柔性电子研究院黄维院士，李鹏教授和王腾蛟副教授为论文的通讯作者，西北工业大学柔性电子研究院硕士研究生刘荣珺为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214917

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（责任编辑：xu）

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