背景介紹

柔性應(yīng)變傳感器因其在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和健康診斷分析、軟機(jī)器人、人工智能設(shè)備和電子皮膚?？衫鞂?dǎo)電水凝膠因其優(yōu)異的柔韌性和對(duì)變形的高靈敏度，通常被視為柔性應(yīng)變傳感器的最佳候選者之一。然而，傳統(tǒng)的導(dǎo)電水凝膠通常需要復(fù)雜的合成工藝和有毒的原料或交聯(lián)劑，這不僅會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題，還會(huì)限制柔性應(yīng)變傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和健康診斷分析中的應(yīng)用。此外，理想的導(dǎo)電水凝膠柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)具有自粘能力，以便水凝膠可以直接附著在皮膚表皮上，而無(wú)需額外的過(guò)程。這種方法最大限度地減少了粘附界面處的界面電阻，從而提高了傳感器器件的靈敏度和穩(wěn)定性。因此，它有助于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的變化，提高健康診斷和分析的精度。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單和綠色的策略制造具有良好拉伸性、自愈合性、自粘合性和優(yōu)異傳感性能的柔性應(yīng)變傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

通過(guò)合理選擇原材料，精心設(shè)計(jì)水凝膠，使其具有多種功能特性，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此，合理選擇原料組合在制備多功能水凝膠中起著至關(guān)重要的作用，使其能夠獲得獨(dú)特的性能。

在導(dǎo)電水凝膠的廣泛研究和利用中，由生物質(zhì)制備的水凝膠表現(xiàn)出良好的生物相容性和環(huán)境友好性，在柔性可穿戴設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電水凝膠合成原料相比，生物質(zhì)材料易于從自然環(huán)境中獲取，廣泛可用且易于降解，這不僅節(jié)省了材料成本，而且在一定程度上克服了環(huán)境問(wèn)題。如今，具有良好生物相容性和豐富活性基團(tuán)的天然多糖，如海藻酸鹽、殼聚糖、甲殼素、卡拉膠、海藻酸鈉、纖維素和環(huán)糊精，被廣泛應(yīng)用于聚合物水凝膠中，以改善水凝膠的性能。其中，殼聚糖（CS）是唯一的堿性多糖，由甲殼素脫乙酰基反應(yīng)衍生而來(lái)。這種天然聚合物分布廣泛，可以從各種來(lái)源獲得。CS鏈上豐富的活性基團(tuán)（-NH2，-OH）賦予了其優(yōu)異的生物功能，并通過(guò)氫鍵或靜電相互作用與各種親水分子相互作用，還與多種聚合物共價(jià)交聯(lián)，滿足了雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的需要。眾所周知，聚丙烯酸廣泛用于制備雙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電水凝膠。CS和聚丙烯酸結(jié)合形成雙聚合物網(wǎng)絡(luò)可以提高水凝膠的韌性和傳感性能。

柔性水凝膠應(yīng)變傳感器在受到外部因素影響時(shí)，其傳感信號(hào)可能會(huì)中斷并失去穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致壽命縮短。為了解決這個(gè)問(wèn)題，柔性水凝膠應(yīng)變傳感器必須具有自愈能力。硼酸（BA）是一種反應(yīng)性試劑，對(duì)親核試劑和含有豐富供電子基團(tuán)（如羥基、氧或氮原子）的表面具有親和力。當(dāng)連接到中心硼原子的兩個(gè)羥基與順式相鄰的二醇結(jié)合時(shí)，就會(huì)形成硼酸酯鍵。硼酸鹽鍵是一種動(dòng)態(tài)可逆的化學(xué)鍵，能夠在受損區(qū)域附近連續(xù)經(jīng)歷可逆的動(dòng)態(tài)重排，以維持結(jié)構(gòu)的可逆性。該功能展示了令人印象深刻的自愈能力，使其成為自愈水凝膠開發(fā)中的熱門選擇。據(jù)報(bào)道，硼酸與其他粘合成分的協(xié)同作用可以提高各種材料的附著力。Efhamisisi等人設(shè)計(jì)并制備了一種添加硼酸和單寧的粘合劑，發(fā)現(xiàn)單寧和硼酸的協(xié)同作用顯著提高了粘合劑的拉伸剪切強(qiáng)度。Liu等人利用植酸和硼酸的協(xié)同作用制備了一種對(duì)豬皮具有優(yōu)異粘附性的水凝膠材料。葡萄糖固有的順式-o-二醇結(jié)構(gòu)很容易與硼酸結(jié)合形成硼酸鹽鍵，從而增強(qiáng)水凝膠的自愈能力，延長(zhǎng)由這種水凝膠制成的柔性應(yīng)變傳感器的壽命。同時(shí)，含有大量羥基的聚合物能夠通過(guò)氫鍵與其他材料容易地結(jié)合，將葡萄糖和硼酸摻入水凝膠結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高水凝膠的粘附性能。因此，葡萄糖和硼酸的協(xié)同作用必須是提高水凝膠粘附性能的良好策略，這不僅賦予了水凝膠自愈能力，而且提高了自粘性。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作采用簡(jiǎn)單的一鍋聚合法，將硼酸（BA）和葡萄糖（Glu）同時(shí)摻入聚丙烯酸（PAA）和殼聚糖（CS）聚合物網(wǎng)絡(luò)中，制備了具有良好生物相容性、高拉伸性（1694%應(yīng)變）、自粘性和自愈性的多功能導(dǎo)電水凝膠（PCGB）。

2. 由PCGB組件構(gòu)建的水凝膠應(yīng)變傳感器具有很好的傳感性能，包括高靈敏度（GF?=?5.7), 耐久性和穩(wěn)定性（5000次循環(huán)）。

3. 水凝膠應(yīng)變傳感器被應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，對(duì)大規(guī)模運(yùn)動(dòng)和小規(guī)?；顒?dòng)都表現(xiàn)出準(zhǔn)確的檢測(cè)行為。

圖文解析

圖1. PCGB水凝膠的制備過(guò)程和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2. （a） PAA/CS水凝膠和PCGB水凝膠的FTIR圖像和區(qū)域放大圖像。（b） PCGB水凝膠的全XPS光譜和（c）PCCB水凝膠的C 1s XPS光譜。

圖3. PCGB水凝膠的機(jī)械性能。（a）PCGB水凝膠在拉伸、扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的照片和（b）保持500克重量的照片。（c） PCGB水凝膠在不同n（CS）/n（AA）比和（d）相應(yīng)斷裂伸長(zhǎng)率和應(yīng)力下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e） 不同硼酸添加量的PCGB水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（f）相應(yīng)的斷裂伸長(zhǎng)率和應(yīng)力。（g） 在200%應(yīng)變下對(duì)PCGB水凝膠進(jìn)行10次循環(huán)加載-卸載拉伸試驗(yàn)。（h） PCGB水凝膠在10%～600%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（i） PCGB水凝膠在50%應(yīng)變下連續(xù)200個(gè)循環(huán)。

圖4. （a） PCGB水凝膠粘附在各種基材表面的照片。（b） PCGB水凝膠與皮膚粘附前后的照片（c）搭接剪切試驗(yàn)示意圖。（d） PAA/CS-BA水凝膠對(duì)木材、玻璃、鋼、銅和豬皮的粘附強(qiáng)度。（e） PCGB水凝膠對(duì)木材、玻璃、鋼、銅和豬皮的粘附強(qiáng)度。

圖5. （a） PCGB水凝膠自愈拉伸行為的宏觀照片。（b） PCGB水凝膠的機(jī)械自愈性能。（c） 不同愈合時(shí)間的PCGB水凝膠的機(jī)械自愈效率。（d） PCGB水凝膠作為導(dǎo)體的自愈行為照片。

圖6. （a） HUVEC細(xì)胞的細(xì)胞活力。（b） HUVEC細(xì)胞的免疫熒光成像。

圖7. （a） PCGB水凝膠在不同伸長(zhǎng)率（0、50、100、200 R%）下led的亮度變化。（b） 水凝膠應(yīng)變傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。應(yīng)變傳感器在（c）小應(yīng)變（10-50%）和（d）大應(yīng)變（100-500%）下的相對(duì)電阻變化。（e）應(yīng)變傳感器在各種拉伸應(yīng)變下的相對(duì)阻力變化和GF。（f） 應(yīng)變傳感器對(duì)5000個(gè)循環(huán)應(yīng)變的相對(duì)電阻響應(yīng)（60%）。

圖8. 應(yīng)變傳感器檢測(cè)（a）手指以不同角度彎曲、（b）手指彎曲、（c）手腕彎曲和（d）肘部彎曲期間的相對(duì)電阻響應(yīng)。應(yīng)變傳感器在（e）行走、（f）跑步和（g）頸部運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)阻力響應(yīng)。（h）呼吸過(guò)程中應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻響應(yīng)，（i）揚(yáng)起眉毛。

圖9. （a） 字母由相應(yīng)的莫爾斯電碼符號(hào)表示。（b） （c）（d）水凝膠傳感器通過(guò)莫爾斯電碼進(jìn)行通信。

審核編輯 黃宇