齐鲁工大于得海、刘温霞 Carbohyd. Polym.：TEMPO细菌纤维素/MXene纳米片水凝胶用于智能穿戴式人机交互

2023-12-08 来源：高分子科技

近年来，水凝胶由于其良好的柔韧性、可穿戴性、生物相容性以及信息捕获的高精确性，被认为在智能可穿戴电子器件以及人机交互方面具有重大应用前景。然而，将水凝胶用于柔性可穿戴电子器件就对水凝胶提出了较高的要求：电化学稳定性、宽耐受温度、一定的保水性和强有力的机械性能使其在多场景的环境条件下提供稳定的电信号传递。

针对上述问题，齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室于得海、刘温霞团队提出了一种MXene/TEMPO细菌纤维素（TOBC）体系双网络水凝胶。通过溶剂置换，水凝胶具有宽温度耐受性（-20-60℃）和稳定的机械性能。大量氢键、MXene/TOBC动态三维网络体系以及胶束作用赋予了水凝胶优异的机械性能（断裂伸长率~2800%，断裂强度~420 kPa）和自愈合能力。单宁酸的引入阻止了MXene的氧化和水凝胶电气性能的损失。此外，传感器还可以快速（74 ms）灵敏的（gauge factor = 15.65）无线监测人体运动，其生物相容性可以很好的避免与人体接触时产生的刺激。这一系列研究工作揭示了基于可自愈、良好的细胞相容性、高灵敏度、宽耐受温度和耐久性的MXene类柔性可穿戴电子器件构效机制，以及在智能可穿戴、无线监测、人机交互等方面显示出巨大应用潜力。

图1. 水凝胶的合成路线和性质应用示意图

图2. PBMG水凝胶的机械柔韧性和结构分析。

图3. 优化PBMG水凝胶的机械性能。

图4. 抗冻和耐干燥。

图5. PB_0.4M_0.2G水凝胶在不同的应变和温度条件下的传感行为。

图6. 水凝胶传感器用于监测人体运动。

图7. 柔性电子设备的外部信号检测、远程监控、人机交互功能。

在这项工作开发了一种耐温性、耐久性、可自愈、导电、高拉伸的MXene类柔性电子器件，用于智能可穿戴人机交互。这一开发是通过溶剂置换法将甘油-水二元溶剂引入MXene/TOBC体系双网络水凝胶中实现的。MXene的存在使水凝胶具有了很好的导电性。同时，MXene/TOBC动态三维网络以及大量的氢键赋予了水凝胶超强的拉伸性（~2800%）。由于水和甘油之间形成的强氢键相互作用以及水凝胶物理构造，水分子的流失（高温下）和冰晶（低温下）的形成得到了有效抑制，产生了较好的耐温性能（-20-60℃）。基于该MXene类柔性可穿戴电子器件优越的综合性能，使其在电子皮肤、无线监测、智能人机交互等方面显示出巨大的应用潜力。相关工作成果以《TEMPO bacterial cellulose and MXene nanosheets synergistically promote tough hydrogels for intelligent wearable human-machine interaction》发表在Carbohydrate Polymers上，齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验硕士研究生董宝亭为第一作者，于得海副教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121621

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（责任编辑：xu）

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