水凝膠由于其仿生結(jié)構(gòu)是制備柔性電子和人機界面（HMI）的理想材料，然而，水凝膠暴露在空氣中后，水分很容易流失，造成材料穩(wěn)定性下降甚至失效，制備具有保濕能力的水凝膠是亟待解決的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的保濕方法包括物理封裝和加入高濃度吸水小分子（如鹽、多羥基化合物和有機離子化合物等），這些方法具有一定局限性，物理封裝會改變水凝膠表面/界面性質(zhì)，而加入小分子則存在由小分子滲出引起的皮膚免疫反應(yīng)等問題。近期，加拿大阿爾伯塔大學(xué)Hongbo Zeng（曾宏波）教授課題組報道了一種由皮膚角質(zhì)層啟發(fā)的本征保濕抗凍兩性離子水凝膠，該水凝膠僅由吸濕性的高分子骨架和結(jié)合水構(gòu)成（如圖1所示），在不加入任何小分子保水劑和物理封裝的情況下，該水凝膠可以在特定濕度下保持穩(wěn)定的組成，并在較寬濕度范圍（≥40% RH）展現(xiàn)出類似皮膚的柔性，同時展現(xiàn)出超高拉伸性（2000%），優(yōu)秀彈性和導(dǎo)電性，該水凝膠被成功應(yīng)用于柔性智能傳感器監(jiān)測人體運動和生理信號，并實現(xiàn)智能書寫識別。
圖1 .本征保濕兩性離子水凝膠設(shè)計思路。
該水凝膠的本征保濕性是通過引入具有高親水性和吸濕性的兩性離子高分子（N,N-二甲基（丙烯酰氨基丙基）銨丙烷磺酸鹽，DMAAPS）水凝膠網(wǎng)絡(luò)，同時去除體系中的自由水實現(xiàn)的。通過系統(tǒng)研究三種典型親水聚合物（非離子、單一離子和兩性離子），作者發(fā)現(xiàn)，不同于非離子聚合物在去除自由水后的剛性，兩性離子聚合物在去除自由水后展現(xiàn)出優(yōu)異的柔性，當相對濕度從80%降至40%時，其楊氏模量僅從54 kPa增加到118 kPa，如圖2所示。結(jié)合水由于其與聚合物鏈的強相互作用，相對不容易流失，賦予了水凝膠材料優(yōu)異的耐候性，同時，由于結(jié)合水不會結(jié)冰，材料DSC曲線低至-100 °C也未展現(xiàn)出結(jié)冰峰，體現(xiàn)了其良好的本征抗凍性。動態(tài)交聯(lián)機制的運用使得該水凝膠具有優(yōu)秀的自修復(fù)性能，可以反復(fù)自愈合，并承受超500%應(yīng)變，如圖3所示。
圖2. 兩性離子水凝膠的保濕性以及其與其他親水聚合物的對比。
圖3. 兩性離子水凝膠的抗凍性和自修復(fù)性能。
該水凝膠可作為一種出色的柔性傳感器人機界面，能夠?qū)崟r、靈敏地檢測人體運動和生理信號，通過雙通道信號采集和機器學(xué)習(xí)算法，作者建立了一種高精度的智能手寫識別平臺，相比于傳統(tǒng)水凝膠，該本征保濕水凝膠展現(xiàn)出更高的信號質(zhì)量和傳感穩(wěn)定性，實現(xiàn)了優(yōu)異的訓(xùn)練模型分類準確率（96%），如圖4所示。該方法為水凝膠設(shè)計提供了一種新思路，并在可穿戴、舒適、智能和可定制的人機界面（HMI）領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。
圖4. 兩性離子水凝膠傳感器實現(xiàn)智能手部書寫識別。
這一成果近期以“Stratum Corneum-Inspired Zwitterionic Hydrogels with Intrinsic Water Retention and Anti-Freezing Properties for Intelligent Flexible Sensors” 為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是阿爾伯塔大學(xué)化工與材料系、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的武盟博士，通訊作者為曾宏波教授。
論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202422755
