苏州大学程丝教授课题组 Mater. Horiz.：受生物组织启发的高强度和抗溶胀纳米纤维水凝胶复合材料用于两栖运动传感

2024-09-06 来源：高分子科技

传统的水凝胶在潮湿环境中会出现明显的膨胀，机械性能较差，这在很大程度上限制了其在可穿戴电子设备中的应用，尤其是在水下传感方面。此外，两栖环境中对应变传感器的需求也在不断增长，如植入式传感器、水下机器人传感器和游泳者智能报警器。两栖环境要求传感器能够应对各种环境变化，并在长期水下环境中保持导电稳定性。

近日，苏州大学程丝教授课题组从细胞外基质（ECM）结构中汲取灵感，开发出一种具有优异机械坚固性和抗溶胀性的TPU-PVAc@AgNPs/MXene纳米纤维状水凝胶复合材料（TPAMH）。TPAMH纳米纤维水凝胶复合材料是通过将银纳米粒子（AgNPs）和MXene纳米片整合到一个由刚性TPU纳米纤维作为纤维支架和甲酸交联PVA水凝胶纤维作为弹性基质（PVAc）的交织网络中而成的(图1)。得益于独特的仿生ECM结构，所获得的纳米纤维水凝胶复合材料具有优异的拉伸强度、断裂伸长率、抗膨胀性和高检测灵敏（最大GF= 105.02），可以有效监测空气和水环境中的各自人体运动，例如手指、肘部、手腕及膝盖处的大应变运动，皱眉、微笑和脉搏跳到等小应变生理信号，以及水下多方向运动和利用摩斯密码水下报警等。该工作以“Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors”为题发表在《Materials Horizons》上。论文的第一作者为苏州大学纺织与服装工程学院硕士研究生任政。

图1. 基于ECM结构的TPAMH纳米纤维水凝胶复合材料的制备

TPU-PVAc机械性能的大幅改善（图2）归功于纳米纤维水凝胶网络中的多种机械能耗散机制，包括ECM中纳米纤维网络结构提供的机械支撑，PVAc的不可逆化学交联以及TPU和PVAc之间的可逆氢键。

图2.TPAMH的机械性能

MXene与Ag纳米颗粒的协同作用极大提升了TPAMH的灵敏度。由于具有高拉伸性和灵敏度，TPAMH 的相对电阻在很宽的应变范围内显示出可逆和稳定的变化，包括低应变（1-40%）和高应变（50-500%）。此外，TPAMH还展示出出色的响应/回复时间及循环稳定性（图3）。

图3. TPAMH 的应变传感性能

TPAMH可以高精度地检测手指、肘部、手腕和膝盖的大应变运动，以及皱眉、微笑和脉搏跳动等小应变生理信号(图4)。

图4. TPAMH用于人体运动检测

TPU的疏水段会排斥水分子，并通过疏水相互作用使疏水基团聚集在界面上，从而增强纳米纤维水凝胶的抗溶胀性能。此外，与传统PVA水凝胶相比，PVA与甲酸的交联消耗了大量羟基，这也有助于提高其抗溶胀性能。在水中浸泡7天后，TPAMH的传感性能基本上维持稳定(图5)。

图5. TPAMH的抗溶胀行为和水下应变传感性能

得益于TPAMH具有出色的抗溶胀和传感能力，使其能够在水下变形过程中也能输出稳定的电信号。此外，它还能通过模拟莫尔斯电码进行水下通信和危险预警，并能准确检测水下机器人的运动模式(图6)。

图6. TPAMH在水下运动检测和水下通信中的应用

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01025F

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（责任编辑：xu）

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