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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(lái)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(bào)道了一種溫度和壓力雙響應(yīng)導(dǎo)電水凝膠，同時(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)柔性傳感器的生物相容性、可穿戴性、視覺(jué)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(guò)利用簡(jiǎn)易的“一鍋法”對(duì)羧甲基纖維素、丙烯酰和丙烯酸進(jìn)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(jī)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(shí)，所制備的水凝膠能通過(guò)電信號(hào)靈敏的感知外部應(yīng)變(GF=2.61,響應(yīng)時(shí)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(lái)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)、情緒變化、生理信號(hào)、語(yǔ)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(jiǎn)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(jī)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(duì)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(zhǎng)的需求。 


圖3 導(dǎo)電水凝膠的防偽應(yīng)用及信息傳達(dá)


  圖3展示了依據(jù)水凝膠的UCST行為對(duì)防偽應(yīng)用進(jìn)行的探索。證實(shí)了水凝膠的UCST點(diǎn)可通過(guò)調(diào)節(jié)CMC含量進(jìn)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(jī)理。此外，通過(guò)對(duì)水凝膠CMC含量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了水凝膠在不同溫度下的可編程性信息傳達(dá)過(guò)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(hào)、語(yǔ)言監(jiān)測(cè)


  圖4展示了水凝膠作為柔性應(yīng)變傳感器對(duì)于人體細(xì)微運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)將水凝膠傳感器分別置于人體面部不同部位，并通過(guò)電信號(hào)識(shí)別出微笑、撇嘴、皺眉等動(dòng)作，將其分別對(duì)應(yīng)于開心、悲傷、憤怒等情緒變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體情緒的初步預(yù)測(cè)和監(jiān)控。此外，水凝膠傳感器對(duì)于人體咳嗽、口渴、打哈欠等動(dòng)作的監(jiān)測(cè)為人體呼吸系統(tǒng)疾病的早期診斷提供了參考。同時(shí)也進(jìn)行了水凝膠傳感器對(duì)于語(yǔ)言識(shí)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(cè)、遠(yuǎn)程診斷、人機(jī)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(guó)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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