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陜科大王學(xué)川/黨旭崗《Biosens. Bioelectron.》：“老樹新花”- 多功能性羧甲基纖維素基導(dǎo)電水凝膠
2023-12-02  來源：高分子科技

  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川教授、黨旭崗副教授報道了一種溫度和壓力雙響應(yīng)導(dǎo)電水凝膠，同時具有自愈、自粘附、生物相容和可拉伸等特性，在多功能防偽和可穿戴柔性電子材料方面表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊Biosensors and Bioelectronics (IF: 12.6)。


圖1 智能羧甲基纖維素基導(dǎo)電水凝膠的制備策略及功能示意圖


  實現(xiàn)柔性傳感器的生物相容性、可穿戴性、視覺可調(diào)控性等功能仍是柔性傳感材料領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。本文通過利用簡易的“一鍋法”對羧甲基纖維素、丙烯酰和丙烯酸進行自由基聚合，制備了一種具有可調(diào)控的熱響應(yīng)和壓力響應(yīng)的羧甲基纖維素基導(dǎo)電水凝膠，并呈現(xiàn)出上臨界溶解溫度 (UCST)行為。所得水凝膠具有優(yōu)異的機械性能(應(yīng)力:730 kPa, 應(yīng)變:880%)、抗疲勞性、可拉伸性、自粘附性和導(dǎo)電性。此外，水凝膠呈現(xiàn)出的溫度和壓力雙重響應(yīng)的性質(zhì)，為柔性防偽、隱蔽材料的合成及應(yīng)用提供了新思路。同時，所制備的水凝膠能通過電信號靈敏的感知外部應(yīng)變(GF=2.61,響應(yīng)時間:80ms)，可用于新型柔性防偽材料和多功能可穿戴離子電子來監(jiān)測人體運動、情緒變化、生理信號、語言等。為具有環(huán)境友好型多種功能防偽材料及柔性電子皮膚傳感器的簡易高效合成及可持續(xù)制造提供了新思路。 


圖2 導(dǎo)電水凝膠的機械性能、導(dǎo)電性、粘附性


  圖2分別展示了水凝膠優(yōu)異的可拉伸性、導(dǎo)電性、對多種材料表面的粘附性，水凝膠所表現(xiàn)出的綜合性能可滿足于柔性可穿戴設(shè)備日益增長的需求。 


圖3 導(dǎo)電水凝膠的防偽應(yīng)用及信息傳達


  圖3展示了依據(jù)水凝膠的UCST行為對防偽應(yīng)用進行的探索。證實了水凝膠的UCST點可通過調(diào)節(jié)CMC含量進行調(diào)控。并分別揭示了水凝膠所表現(xiàn)出的溫度響應(yīng)性和壓力響應(yīng)性機理。此外，通過對水凝膠CMC含量的調(diào)節(jié)實現(xiàn)了水凝膠在不同溫度下的可編程性信息傳達過程。水凝膠在不同溫度和壓力下表現(xiàn)出的透明度變化行為為柔性防偽、隱蔽材料提供了廣泛的應(yīng)用前景。


圖4 導(dǎo)電水凝膠的情緒變化、生理信號、語言監(jiān)測


  圖4展示了水凝膠作為柔性應(yīng)變傳感器對于人體細微運動的實時監(jiān)測。通過將水凝膠傳感器分別置于人體面部不同部位，并通過電信號識別出微笑、撇嘴、皺眉等動作，將其分別對應(yīng)于開心、悲傷、憤怒等情緒變化，實現(xiàn)了對人體情緒的初步預(yù)測和監(jiān)控。此外，水凝膠傳感器對于人體咳嗽、口渴、打哈欠等動作的監(jiān)測為人體呼吸系統(tǒng)疾病的早期診斷提供了參考。同時也進行了水凝膠傳感器對于語言識別的前期探索。由此可見，所研制的導(dǎo)電水凝膠在智能監(jiān)測、遠程診斷、人機交互等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


  相關(guān)研究成果以“A temperature and pressure dual-responsive, stretchable, healable, adhesive, and biocompatible carboxymethyl cellulose-based conductive hydrogels for flexible wearable strain sensor”發(fā)表于國際著名期刊Biosensors and Bioelectronics（DOI: 10.1016/j.bios.2023.115893）。陜西科技大學(xué)碩士研究生付蕓濤為該論文的主要完成人，通訊作者是陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所黨旭崗副教授。


  原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115893

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