“网格支架”新策略将水凝胶材料用于柔性传感器，能高灵敏度监测身体运动

【蜂耘网  新材料】安徽理工大学材料科学与工程学院教师张晓勇团队在功能水凝胶的设计合成与性能调控领域取得新进展，提出了构建“网格支架”策略，制备了一种网格密度原位可调的聚合物网络结构，并证明这种材料可以有效限制聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶相变过程中的体积变化。相关研究成果近日发表于《材料视野》。
 

新一代柔性传感器基础材料—天然水凝胶
 

新兴的柔性电子产品凭借其兼容的机制、舒适的体验、紧密的界面集成和多功能，这种柔性传感器可以与柔软的人体进行稳定而亲密的接触，以记录生理信号和评估生化信息。
 

从自然界中制备或衍生的天然水凝胶与具有特定成分的合成材料相比，具有多种可调功能，可定制感觉，包括坚固的力学性能、增强的导电性、灵敏度自粘附性、自愈性和可印刷性。
 

天然水凝胶的柔性设备

应变传感器
 

由于水凝胶具有柔韧性、生物相容性和重量轻等明显优点，基于水凝胶的柔性应变传感器可以紧密贴附在人体上，并将机械信号（弯曲、拉伸）转换为电信号（电阻、电导率），能够捕获人体的大规模动作（例如，关节弯曲、身体运动）和微小动作（例如，脉搏、心跳、呼吸、喉咙振动）。这些转换方法通常包括压阻法、压电法和电容法。在过去十年中，基于水凝胶的应变传感器引起了越来越多的研究兴趣。尽管已经开发出如此多具有显着灵敏度的系统，但实际应用的潜力仍然遥遥无期。最严重的问题是性能稳定性。除了水分蒸发后机械性能的变化外，另一个挑战是在多次变形后保持电气性能仍然。
 

压力传感器
 

压力传感器是触觉传感器的另一个分支，由于其广泛的应用范围，从诊断健康监测到精密手术，吸引了广泛的研究。与应变传感器一样，也可以探索具有丰富官能团的天然聚合物来制造水凝胶通过从压力输入到电导率输出的信号转换，具有机械感应特性的压力传感器。通常，有效的导电通路随着施加的压力而增加，伴随着水凝胶网络的几何变形。几何变形与电输出信号之间的关系由此建立。具体而言，导电网络在外部压力下的变形会导致电阻相应地发生变化。压力传感器最重要的传感参数之一是灵敏度。通常，灵敏度（也称为应变系数，GF）定义为电信号（电容、电阻、电流或电压）随施加压力的相对变化曲线的斜率。高灵敏度可以赋予传感器检测细微压力刺激的能力，如声带振动或动脉脉搏。
 

与那些应变传感器面临的挑战一样，基于水凝胶的压力传感器也需要克服来自反复和多次加载-卸载的不利影响。作者团队认为天然聚合物水凝胶可以通过新颖简便的网络设计来解决这个问题。借鉴大自然独特的结构设计，用天然材料来实现，例如纹理结构、微/纳米传输通道、层次机制等，将是一个很好的选择。
 

温度传感器
 

体温是指示失眠、发热、代谢功能和精神抑郁的重要生理指标，提供各种有价值的医学诊断信息。实现局部温度的实时和准确测量对于生物医学应用具有重要意义。人体的温度可以在 36.5至 37. 1℃的恒定范围内调节，以维持正常的生理功能，这对于参与新陈代谢、血液循环和免疫系统的酶活性至关重要。传统的体温临床检查依赖于关于定期温度计测量。在可伸缩系统的各种感觉功能中，温度感觉对于实时获取皮肤表面、周围环境和植入区域的温度以协助人类和软人工智能机器人调整其后续计划至关重要。由于人体温度的变化幅度很小，因此对温度传感器的灵敏度要求很高。
 

水凝胶由于其湿润和柔软的特性以及出色的生物相容性和顺应性，可确保设备与曲线表面之间的共形接触，在温度传感方面具有广阔的研究前景。
 

新型水凝胶材料可用于柔性传感器
 

近日，安徽理工大学材料科学与工程学院张晓勇在国际著名TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Flexible Strain Sensitive Sensors Assembled from Mussel-inspired Hydrogel with Tunable Mechanical Properties and Wide Temperature Tolerance in Multiple Application Scenarios”的最新研究成果，《ACS Applied Materials & Interfaces》是由美国化学会（American Chemical Society）出版的一本著名的学术期刊，最新影响因子为9.5。
 

导电性水凝胶在电子皮肤和柔性可穿戴传感器领域有着广泛的应用前景。然而，常规水凝胶的机械性能表现单一，无法实现多场景的多种应用，同时在零下温度不可避免地会冻结，高温条件下易脱水，导致使用寿命短，因此如何实现水凝胶机械性能的原位调节和环境耐受性仍然是一个挑战。
 

针对以上问题，研究团队通过控制络合效应调节离子在聚合物链上的原位聚集状态，从而原位改变水凝胶的机械性能。L-Dopa的儿茶酚基团和多羟基葡萄糖赋予水凝胶对皮肤和设备界面（包括潮湿和干燥环境）的高粘附性，并在极宽温度范围（-35-65℃，60 d）下表现出优异的耐温性。此外，该水凝胶可以组装成柔性应变敏感传感器，根据特定的机械性能要求检测人体运动。
 

该方案进一步将生物灵感和智能材料相结合，开发制备了性能优异的多功能柔性水凝胶材料，有效解决了传统水凝胶保水性和抗冷冻性差，机械性能单一和粘接性差的问题，为新一代具有更广泛应用范围的可穿戴设备提供新了创新思路。

压敏胶-“网状支架”基水凝胶(PSAs-MPT)策略
 

近年来，基于聚N-异丙基丙烯酰胺柔性电子器件的连续温度监测取得了快速发展，克服了传统刚性材料的缺点。然而，它的相变引起的体积变化和粘附性差仍然是限制其应用的主要原因。“用最简单的方法构建一层‘网状支架’，通过原位调节‘网状支架’的网格大小，限制水凝胶分子链的自由运动程度，对于解决PNIPAM水凝胶相变引起的体积变化具有重要指导意义。”张晓勇介绍。
 

此次研究中，张晓勇等提出了一种压敏胶-“网状支架”基水凝胶(PSAs-MPT)策略，抑制PNIPAM水凝胶相变引起的体积变化，进一步实现原位可调的机械性能和优异的粘合性能。“网状支架”的可逆网格密度可以调节水凝胶分子链的聚集状态，从而将杨氏模量从6.7千帕调整为45.3千帕。由于具有恒定的体积温度响应性，PSAs-MPT水凝胶在不同的温度场景下都能表现出稳定的温度监测。此外，PSAs-MPT水凝胶可以作为可穿戴的生物运动传感器，以高灵敏度监测身体运动。它还可以组装成一个电子设备，通过莫斯电码传输信息和识别手语。
 

张晓勇说：“这项工作加深了对聚合物分子链聚集状态与水凝胶基柔性器件多场景应用的理解，而且有望通过手语识别系统来管理需要紧急医疗护理患者的健康和健身。”
 

总结：作者提出并实施了“网格支架”策略，成功合成了一种具有机械性能和网格密度可调的水凝胶材料，实现了原位可调的机械性能和卓越的粘合性能。此工作不仅在材料设计和合成方面有所突破，而通过对PNIPAM水凝胶相变过程的研究，证明了这种材料在限制相变过程中的体积变化方面的优越性。这一创新性的构建方法为功能水凝胶的性能调控提供了新的思路和可能性。

（蜂耘新材料网   责任编辑：娱悦）