陕科大王学川/党旭岗《Biosens. Bioelectron.》：“老树新花”- 多功能性羧甲基纤维素基导电水凝胶

2023-12-02 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川教授、党旭岗副教授报道了一种温度和压力双响应导电水凝胶，同时具有自愈、自粘附、生物相容和可拉伸等特性，在多功能防伪和可穿戴柔性电子材料方面表现出巨大应用潜力。相关研究成果发表于国际著名期刊Biosensors and Bioelectronics (IF: 12.6)。

图1 智能羧甲基纤维素基导电水凝胶的制备策略及功能示意图

实现柔性传感器的生物相容性、可穿戴性、视觉可调控性等功能仍是柔性传感材料领域的重大挑战。本文通过利用简易的“一锅法”对羧甲基纤维素、丙烯酰和丙烯酸进行自由基聚合，制备了一种具有可调控的热响应和压力响应的羧甲基纤维素基导电水凝胶，并呈现出上临界溶解温度 (UCST)行为。所得水凝胶具有优异的机械性能(应力:730 kPa, 应变:880%)、抗疲劳性、可拉伸性、自粘附性和导电性。此外，水凝胶呈现出的温度和压力双重响应的性质，为柔性防伪、隐蔽材料的合成及应用提供了新思路。同时，所制备的水凝胶能通过电信号灵敏的感知外部应变(GF=2.61,响应时间:80ms)，可用于新型柔性防伪材料和多功能可穿戴离子电子来监测人体运动、情绪变化、生理信号、语言等。为具有环境友好型多种功能防伪材料及柔性电子皮肤传感器的简易高效合成及可持续制造提供了新思路。

图2 导电水凝胶的机械性能、导电性、粘附性

图2分别展示了水凝胶优异的可拉伸性、导电性、对多种材料表面的粘附性，水凝胶所表现出的综合性能可满足于柔性可穿戴设备日益增长的需求。

图3 导电水凝胶的防伪应用及信息传达

图3展示了依据水凝胶的UCST行为对防伪应用进行的探索。证实了水凝胶的UCST点可通过调节CMC含量进行调控。并分别揭示了水凝胶所表现出的温度响应性和压力响应性机理。此外，通过对水凝胶CMC含量的调节实现了水凝胶在不同温度下的可编程性信息传达过程。水凝胶在不同温度和压力下表现出的透明度变化行为为柔性防伪、隐蔽材料提供了广泛的应用前景。

图4 导电水凝胶的情绪变化、生理信号、语言监测

图4展示了水凝胶作为柔性应变传感器对于人体细微运动的实时监测。通过将水凝胶传感器分别置于人体面部不同部位，并通过电信号识别出微笑、撇嘴、皱眉等动作，将其分别对应于开心、悲伤、愤怒等情绪变化，实现了对人体情绪的初步预测和监控。此外，水凝胶传感器对于人体咳嗽、口渴、打哈欠等动作的监测为人体呼吸系统疾病的早期诊断提供了参考。同时也进行了水凝胶传感器对于语言识别的前期探索。由此可见，所研制的导电水凝胶在智能监测、远程诊断、人机交互等领域具有广阔的应用前景。

相关研究成果以“A temperature and pressure dual-responsive, stretchable, healable, adhesive, and biocompatible carboxymethyl cellulose-based conductive hydrogels for flexible wearable strain sensor”发表于国际著名期刊Biosensors and Bioelectronics（DOI: 10.1016/j.bios.2023.115893）。陕西科技大学硕士研究生付芸涛为该论文的主要完成人，通讯作者是陕西科技大学生物质与功能材料研究所党旭岗副教授。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115893

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（责任编辑：xu）

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