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  柔性可穿戴電子產(chǎn)品在儲(chǔ)能器件、人體健康監(jiān)測(cè)、摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。電子器件的蓬勃發(fā)展促使我們開發(fā)具有優(yōu)異的拉伸性能、高靈敏度和良好的生物相容性的導(dǎo)電材料�？衫鞂�(dǎo)電水凝膠作為一類擁有良好柔韌性、生物相容性和可拉伸性的典型“軟濕”材料，在柔性電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，常規(guī)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度通常較差，在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可避免地在外力作用下而遭到破壞，這嚴(yán)重影響了水凝膠器件的使用壽命。

  近年來(lái)，湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院許建雄教授課題組圍繞水凝膠增強(qiáng)增韌、功能化的基本理論以及在柔性可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用開展相關(guān)研究。最近，課題組首次將近紅外光響應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)換試劑Sb₂S₃引入到水凝膠中并賦予其優(yōu)異的光致自修復(fù)性能。作者在PVA/pHEAA雙網(wǎng)絡(luò)凝膠體系中加入作為交聯(lián)劑和導(dǎo)電填料的Sb₂S₃@PPy-DA，構(gòu)建了近紅外光誘導(dǎo)快速自修復(fù)導(dǎo)電水凝膠，并將其組裝成應(yīng)變傳感器用于肢體運(yùn)動(dòng)傳感和生物電極用于人類心率監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步構(gòu)建出自供電傳感設(shè)備用于人體活動(dòng)探測(cè)和識(shí)別書寫信號(hào)。論文第一作者為湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院許利劍教授，通訊作者為湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院許建雄教授和余茂林博士，研究成果發(fā)表在中科院一區(qū)TOP期刊Nano Energy上。

圖1 SPOH水凝膠的制備和應(yīng)用示意圖

圖2 SPOH水凝膠的自修復(fù)性能

  由于光熱試劑Sb₂S₃在近紅外光的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生局部高溫，促進(jìn)水凝膠中斷裂的分子鏈重組。研究表明，在2 W/cm²的近紅外光照射90秒后，水凝膠的溫度可以從20.4 °C顯著升高升至77.4 °C，而且斷裂胡水凝膠能夠快速的自愈合，并且其力學(xué)性能恢復(fù)至斷裂前胡100%。而經(jīng)水處理12小時(shí)后的力學(xué)性能僅能回復(fù)至原來(lái)的10.4%，說(shuō)明了光熱轉(zhuǎn)換試劑的引入能夠有效促進(jìn)水凝膠的自修復(fù)過程，為實(shí)現(xiàn)水凝膠的可重復(fù)利用，延長(zhǎng)材料的使用壽命奠定了良好基礎(chǔ)。

圖3 （a）SPOH應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)拉伸靈敏度；（b）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SPOH 應(yīng)變傳感器在（c）小應(yīng)變（10%-80%）和（c）大應(yīng)變（100-500%）范圍內(nèi)的相對(duì)電阻變化率；基于SPOH傳感器對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的相對(duì)電阻值變化：（d）肘關(guān)節(jié)；（e）手腕；（f）膝關(guān)節(jié)；（g）具有無(wú)線監(jiān)測(cè)功能的SPOH傳感器連接的（g）實(shí)物圖及（h）示意圖；（d）SPOH傳感器被用于活動(dòng)能力受限的患者的監(jiān)護(hù)器示意圖。

  SPOH傳感器具有較高的靈敏度，可以貼在各種關(guān)節(jié)部位實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步，我們將SPOH傳感器、帶藍(lán)牙模塊的數(shù)字萬(wàn)用表和手機(jī)組成一套檢測(cè)系統(tǒng)（圖3）�？纱┐魅嵝詡鞲衅魍ㄟ^數(shù)字萬(wàn)用表收集和處理人體活動(dòng)信息，采用手機(jī)應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電阻的變化。將可穿戴傳感器穿戴在食指上，當(dāng)食指正常伸直時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)手指彎曲時(shí)，電阻變化信號(hào)會(huì)急劇增加，若彎曲導(dǎo)致超過了設(shè)置閾值，手機(jī)應(yīng)用程序?qū)?huì)啟動(dòng)報(bào)警提醒。這套檢測(cè)系統(tǒng)有望給活動(dòng)能力受限患者的康復(fù)治療帶來(lái)新希望。

圖4（a）SPOH生物電極的監(jiān)測(cè)照片；（b）SPOH生物電極和（c）商業(yè)銀/氯化銀電極的樣品圖；SPOH生物電極的（d，e）初始和（f，g）自修復(fù)后以及在（d，f）靜止和（e，g）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的心電圖。插圖：相應(yīng)的放大圖。

  心電圖可以為病人的病情診斷和康復(fù)提供重要的信息，目前臨床上廣泛采用金屬電極進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。然而，堅(jiān)硬的金屬電極材料靈活性較差，無(wú)法完全貼合柔軟的人體皮膚，在監(jiān)測(cè)過程中由于與皮膚的接觸摩擦?xí)?/span>皮膚不適。水凝膠電極在繼承金屬的良好導(dǎo)電性的同時(shí)，還具備一定的柔軟性，舒適度更高�；诖�，我們將抗凍保濕性較好的水凝膠SPOH作為電極貼在手腕上，用于檢測(cè)實(shí)時(shí)心電圖，并且自修復(fù)后的水凝膠電極幾乎和初始狀態(tài)的心電圖一致，展現(xiàn)出水凝膠電極良好的再現(xiàn)性（圖4），與金屬電極相比，水凝膠電極監(jiān)測(cè)完后不會(huì)引起皮膚過敏等不良反應(yīng)，有望為新一代電子健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的開發(fā)提供新思路。

圖6 不同拉伸狀態(tài)產(chǎn)生的輸出電壓和身體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的SPOH自供電傳感器。（a）屈腕；（b）屈腿；（c）屈指；（d）指尖按壓；（e）不同頻率下的按壓；(f)識(shí)別書寫文字。

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）通過接觸起電和靜電感應(yīng)的耦合將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的新興技術(shù)。目前，絕大部分TENG電極為剛性的金屬材料，這會(huì)導(dǎo)致電極在遭受破壞后無(wú)法恢復(fù)，影響器件的電輸出性能。針對(duì)以上問題，將具有自修復(fù)功能的柔性導(dǎo)電水凝膠作為TENG電極被認(rèn)為是一種有前途的解決方法。將水凝膠SPOH用硅橡膠包覆，制備了一種自供電傳感器。測(cè)試結(jié)果顯示，該TENG能夠產(chǎn)生較好的電輸出性能（圖5），并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種人體活動(dòng)的探測(cè)和書寫信號(hào)的識(shí)別（圖6），在可穿戴自供電人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和高精度筆畫識(shí)別方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

  論文信息：Lijian Xu, Yin Chen, Maolin Yu*, Mengjuan Hou, Guo Gong, Haihu Tan, Na Li, Jianxiong Xu*, NIR light-induced rapid self-healing hydrogel toward multifunctional applications in sensing, Nano Energy 2023, 107, 108119.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108119.

作者簡(jiǎn)介：

許建雄，教授，博士（后），湖南工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。入選湖南省121創(chuàng)新人才、湖南省青年骨干教師、株洲市青年托舉人才、湖南工業(yè)大學(xué)“精英人才”。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及青年項(xiàng)目2項(xiàng)，中國(guó)博士后科學(xué)基金2項(xiàng)，湖南省自然科學(xué)基金，湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目等省級(jí)科研項(xiàng)目6項(xiàng)，企業(yè)橫向課題2項(xiàng)。累計(jì)發(fā)表SCI源刊論文64篇，被他引920余次，單篇通訊作者論文最高他引達(dá)84次，H-index為18。近年來(lái)，圍繞功能性水凝膠的制備及其在柔性可穿戴傳感器中的應(yīng)用開展研究，取得了一系列具有研究特色和創(chuàng)新性的研究成果。近5年在Nano Energy、Journal of Hazardous Materials、Materials Chemistry Frontiers、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry C、Gels等化學(xué)和材料領(lǐng)域知名期刊上發(fā)表第一或通訊作者論文29篇（其中IF > 5.0 的論文15篇，ESI高被引論文2篇），獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)，湖南省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)（排名第一），中國(guó)包裝聯(lián)合會(huì)行業(yè)科技進(jìn)步技術(shù)二等獎(jiǎng)（排名第二）。