美國阿克倫大學鄭潔團隊《JMCA》：新型全聚合物導電水凝膠

近年來，柔性智能傳感器的發展迅猛，在可穿戴設備、智能器件和人工智慧領域逐漸發揮著越來越重要的作用。與基於彈性體的智能傳感器不同，利用生物相容性極佳的水凝膠材料本身具有一定的潛在優勢，但對於實際的應用，諸如電子皮膚、健康監測器和人機界面來說仍具挑戰。具體來說，高含水量的水凝膠，一方面，提供獨特和優良的仿生和生物相容性；另一方面，也使得小尺度壓力引起的運動/變形無法快速、有效地轉換為可測量的電信號。在開發高靈敏度水凝膠應變傳感器的過程中，我們通常需要考慮以下三點：1）高拉伸性和優異的導電性，使傳感器本身在承受大變形的同時，最大限度地實現從機械變形到電子信號的轉換；2）導電水凝膠在受體界面上的強粘附性（避免水凝膠器件的界面脫粘以及傳感性能的喪失）；3）應變傳感器基質應具備良好的生物相容性。

圖1. 兩性離子水凝膠應變傳感器的設計、構築及傳感機理展示。

美國阿克倫大學鄭潔教授團隊日前提出一種新型的全聚合物導電水凝膠（poly(HEAA-co-SBAA)/PEDOT: PSS），通過將PEDOT:PSS直接引入兩性離子物理網絡來構建特殊的半互穿結構，實現優異力學性能、生物相容性和應變傳感的有機結合（圖1）。由於其內部存在豐富的氫鍵和靜電相互作用，導電水凝膠基質不僅彌補傳統兩性離子聚合物凝膠的弱機械性能，而且實現超高的拉伸率（4000%~5000%），快速斷裂處修復（<3min）以及在多種無孔界面（陶瓷、玻璃、金屬和動物組織）的高粘附性（~1700J/m²）（圖2）。

圖2. 兩性離子水凝膠的力學性能、切口自癒合性以及在多種無孔固體表面的界面粘附性。

結合水凝膠基質的優異力學性能、高界面粘性和導電性能，兩種類型的凝膠傳感器（壓敏和拉伸應變型）被進一步設計，使其能夠穩定地監測人體細微的動作(手指及膝蓋彎曲、聲音、靜態和動態脈搏)、水滴滴落和重物質量，其在低於900%的大應變條件下的靈敏度（GF值）為2.0（圖3）。

圖3. 兩性離子導電水凝膠應變傳感器的實際監測性能。

研究者進一步設計了一種有趣的力學感應平臺，以期實現應變響應下電信號和力學性能的實時監測，進而探究傳感過程與網絡結構間的變化關係（圖4）。有趣的是，在較低的拉伸速率（20 mm/min）下，研究人員利用該裝置在小應變處（~300%）「捕捉」到一個反常現象：拉伸使傳感器電阻異常變小。值得注意的是這一現象在快拉伸的過程中並沒有發現，證明網絡間的相互作用是時間和空間相關的。其可能存在的機理是：由於凝膠的製備過程沒有引入化學交聯劑，網絡間的大量兩性離子基團和導電聚合物間的離子相互作用呈現一種游離可逆的物理交聯過程；較低的拉伸速率使兩性離子網絡能夠逐漸參與短距離的離子相互作用，優化了電荷轉移的導電途徑，從而使相對電阻在早期較小的拉伸應變階段暫時減小。這一反常現象目前在傳統的應變傳感器未有報導和詳細研究。

圖4. 力學感應平臺的構築、拉伸誘導電阻異常減小現象及機理展示。

此外，研究還進一步地對比討論了該兩性離子水凝膠基質的生物相容性和防蛋白粘附性能，相關成果日前以「Highly Stretchable, Self-Adhesive, Biocompatible, Conductive Hydrogelsas Fully Polymeric Strain Sensors」為題發表於《J.Mater. Chem. A》，第一作者為張冬。該工作不僅報導了一類可替代傳統納米複合材料或彈性體基的水凝膠應變傳感器，在植入性人機互動和醫療監測等領域有一定的潛在應用價值，還提供了一種新策略來實時探究網絡形變和實際監測信號變化的相互關係，從而有助於一些實驗過程中捕捉到的反常現象的合理解釋。

原文連結：DOI: 10.1039/D0TA07390C

來源：高分子科學前沿

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