安徽理工大学张晓勇团队 ACS AMI：适用于多种应用场景仿贻贝水凝胶柔性传感器

2023-10-24 来源：高分子科技

近期，安徽理工大学材料科学与工程学院张晓勇课题组研发出了一种新型功能水凝胶(PAA-Dopa-Zr⁴⁺)。这种水凝胶融合了3,4-二羟基苯基-l-丙氨酸(L-Dopa)和聚丙烯酸(PAA)，并加入Zr⁴⁺离子。通过调控络合作用大小，成功地在聚合物链中原位调整了聚合物链的聚集状态，使得所制水凝胶的机械性能能够实时调节。特别一提的是，L-Dopa中的儿茶酚基团和多羟基葡萄糖使得这种水凝胶能够在各种环境中（无论是潮湿还是干燥）紧密地附着在皮肤或设备上。而且，它在-35到65℃的宽温度范围内都展现出了出色的环境稳定性，持续时间高达60天。更为引人注目的是，这种PAA-Dopa-Zr⁴⁺水凝胶还可以被用于制作柔软的应变敏感传感器，能够根据具体的机械性能需求来监测人体的行为动作。这一创新为未来的可穿戴技术和个性化的医疗监测领域带来了新的可能性。该工作以“Flexible Strain Sensitive Sensors Assembled from Mussel-inspired Hydrogel with Tunable Mechanical Properties and Wide Temperature Tolerance in Multiple Application Scenarios”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。该研究工作得到了安徽省高等学校科学研究重点项目(2023AH051213)、安徽理工大学人才引进启动基金(2021yjrc63)、安徽理工大学青年基金项目(QNZD202201)的支持。张晓勇课题组主要从事柔性智能材料与器件的研究，目前已在Chemical Engineering Journal; ACS Applied Materials & Interfaces; Journal of Colloid and Interface Science等期刊上发表相关研究论文。

图1 PAA-g-Dopa水凝胶制备工艺和设计策略

本项研究开发了一种新策略以研制一种基于水凝胶的新型可穿戴式运动传感器，该传感器模拟人类皮肤的显著特征，并具有可调节的机械特性、良好的长期环境稳定性（防冻和抗干性能）以及出色皮肤粘接性。

图2 PAA-g-Dopa水凝胶的粘接性能

基于邻苯二酚基团的化学粘附性，PAA-g-Dopa水凝胶能够粘附于各种底物（包括有机和无机）。特别是，即使在高温环境下和长期储存后，粘合强度仍保持不变。PAA-g-Dopa水凝胶的粘附性保证了传感器与皮肤的保形接触，从而获得出色的粘接性能，而PAA-g-Dopa水凝胶的机械性能可调性使传感器具备根据不同实际应用场景快速调节的灵活性（例如，体外运动传感和体内组织传感）。

图3 PAA-g-Dopa水凝胶机械性能可调性能

图4 PAA-Dopa水凝胶导电性能和微小动作传感性能展示

基于Zr⁴⁺和羧基在室温下可以形成金属配位特征，Zr⁴⁺可以作为“分子链开关”来实现水凝胶的可调节机械性能。由于引入了葡萄糖，在零下温度（-35°C）下水成冰晶格的过程受到抑制，在环境条件下长期储存（60天）期间水的蒸发受到阻碍。令人印象深刻的是，所开发的PAA-g-Dopa水凝胶显示出卓越的皮肤感知性能，可以区分各种人类运动，例如关节弯曲和微小振动，包括脉搏、说话、吞咽和皱眉等。可以相信，本研究将为下一代可穿戴设备的设计和制造提供新的创新理念。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c12735

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（责任编辑：xu）

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