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西工大黃維院士團隊李鵬教授、王騰蛟副教授 AFM：應用于多模態(tài)監(jiān)測和緊急預警系統(tǒng)的親膚性自增強水凝膠基柔性電子器件
2023-04-25  來源：高分子科技

  在柔性電子器件領域，水凝膠材料因天然的類組織特性和多功能性而具有極大的應用潛力。然而，機械強度不足和抗疲勞性差的傳統(tǒng)水凝膠在受到長周期、多頻率的應力時會發(fā)生破損或失去穩(wěn)定性，這限制了該材料長期應用的可能。在復雜的應用場景如智能健康醫(yī)療、人機交互設備中，迫切需要開發(fā)一種可以在使用中增強的親膚性高強度水凝膠，滿足可穿戴健康電子器件長期穩(wěn)定使用的需求。


  近日，西北工業(yè)大學柔性電子研究院黃維院士團隊李鵬教授、王騰蛟副教授借鑒高分子材料自增強的概念，開發(fā)了一種具有良好生物相容性的自增強水凝膠，實現(xiàn)柔性電子材料越用越強目的。


  該水凝膠通過三重犧牲交聯(lián)結構設計實現(xiàn)了力學性能的大幅度增強：其中納米凝膠充當強犧牲交聯(lián)（用納米凝膠形變來犧牲應力對化學交聯(lián)的破壞），可逆離子相互作用充當弱犧牲交聯(lián)（利用弱靜電鍵斷裂來犧牲應力對化學交聯(lián)的破壞），聚合物鏈糾纏作用充當物理犧牲交聯(lián)（利用破壞范德華力來犧牲應力對化學交聯(lián)的破壞）（圖1）。該兩步法制備的水凝膠具有1900%的高拉伸率，在1000次壓縮循環(huán)測試中，殘余應變低于10%以及初始應力保持高于95%，并具備抗刺戳特性（圖2）。 


圖1. 三重犧牲結構水凝膠的制備流程以及示意圖 


圖2. 水凝膠配方調(diào)控以及相關力學性能測試圖


  該工作中所制備的水凝膠具有人體汗液誘導自增強效果，通過仿生汗液反復浸泡，水凝膠內(nèi)部離子濃度逐步降低引發(fā)分子鏈結構內(nèi)部靜電相互作用逐步增強來實現(xiàn)水凝膠自增強。同時，在水凝膠制備過程中已經(jīng)證明了凝膠內(nèi)部優(yōu)先生成了大量納米凝膠交聯(lián)劑，這種納米凝膠在抗凝膠撕裂過程中起到分散應力集中現(xiàn)象作用，使得水凝膠增強能力得到進一步提高（經(jīng)過6次循環(huán)處理后拉伸強度增強了近500 kPa，楊氏模量增加了4倍）（圖3）。 


圖3. 水凝膠自增強機制研究


  考慮到可穿戴柔性健康電子器件直接與皮膚接觸的需求，進行了粘附性測試以及相關皮膚組織相容性測試。驗證了其粘附性滿足可穿戴健康電子器件的應用需求，同時良好的皮膚組織相容性也滿足在人體體表直接貼敷使用目的。此外，課題組將水凝膠制備成用于傳感及心電、肌電等生理電信號采集功能的柔性電子器件（圖4），并將柔性電子器件集成為一套用于急性心肌梗死場景的緊急預警系統(tǒng)，有望實現(xiàn)水凝膠基柔性電子器件的應用實踐及產(chǎn)業(yè)化推廣。

 

圖4. 自增強水凝膠基柔性電子器件在傳感及生理電信號采集中的應用


  該工作以“Self-Reinforced Hydrogel-Based Skin-Contactable Flexible Electronics for Multimodal Electrophysiological Signal Monitoring and Emergency Alarming System”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。西北工業(yè)大學柔性電子研究院黃維院士，李鵬教授和王騰蛟副教授為論文的通訊作者，西北工業(yè)大學柔性電子研究院碩士研究生劉榮珺為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214917

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（責任編輯：xu）
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