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  水凝膠因其高含水量，柔軟度和拉伸性，在個(gè)性化醫(yī)療監(jiān)控、臨床診斷、電子皮膚和人機(jī)交互方面的應(yīng)用前景廣闊。然而，常見(jiàn)的自支撐水凝膠很難將柔性、可塑性、拉伸性、粘附性、導(dǎo)電性以及傳感功能等結(jié)合起來(lái)，這極大地阻礙了柔性電子設(shè)備的“個(gè)性化”定制。學(xué)習(xí)生物材料的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)功能納米材料的水分散，為仿生水凝膠的功能化定制提供了思路。

  成都大學(xué)魏竟江研究團(tuán)隊(duì)前期圍繞仿生水凝膠中無(wú)機(jī)納米材料的分散性開(kāi)展了一些工作：受人體皮膚啟示，基于螯合和氫鍵調(diào)控策略構(gòu)筑了聚丙烯酸鈣/碳納米管導(dǎo)電水凝膠，實(shí)現(xiàn)了多重導(dǎo)電協(xié)同響應(yīng)的電子皮膚(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 2952)；受到牡蠣礁啟示，通過(guò)在聚丙烯酸鈣水凝膠基質(zhì)中引入穩(wěn)定的無(wú)定形磷酸鈣，構(gòu)筑了機(jī)械性能可調(diào)的礦物水凝膠(Chem. Eng. J. 2021, 424, 130549)；通過(guò)學(xué)習(xí)貽貝分泌物，基于MXene的表面羥基和氟離子與聚丙烯酸/纖維素納米纖維/鈣離子建立的超分子相互作用，實(shí)現(xiàn)了可3D打印的多功能導(dǎo)電水凝膠的制備(Interdiscip. Mater. 2022, 1, 495)；基于冷凍-鹽析的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了聚乙烯醇/MXene導(dǎo)電水凝膠的強(qiáng)韌化(Compos. Part A 2023, 172, 107626)；受變色龍啟發(fā)，基于羥丙基纖維素水分散液手性自組裝能力，引入碳納米管于螺旋結(jié)構(gòu)中有序排列，構(gòu)筑了可對(duì)溫度和應(yīng)變進(jìn)行顏色和電阻協(xié)同響應(yīng)的柔性顯示器(Adv. Mater. Technol. 2023, 8, 2200897)。

  成都大學(xué)魏竟江/王清遠(yuǎn)研究團(tuán)隊(duì)和武漢理工大學(xué)傅正義院士合作，近期提出一種學(xué)習(xí)生物材料的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)策略，通過(guò)在仿生水凝膠的自組裝過(guò)程中，對(duì)其各個(gè)組分功能化，不僅實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)性能的提高，而且在各個(gè)層次上表現(xiàn)出性能的優(yōu)化，解決了水凝膠的多功能性組合矛盾的問(wèn)題。具體而言，單寧酸包裹在液態(tài)金屬的表面（LM@TA）輔助其分散，也促進(jìn)水凝膠的粘附；無(wú)定形碳酸鈣在TA表面礦化形成分級(jí)結(jié)構(gòu)（LM@TA@ACC）；LM@TA@ACC與聚丙烯酸螯合形成水凝膠骨架。該設(shè)計(jì)策略為實(shí)現(xiàn)水凝膠的多功能性提供了新的途徑(圖1)。

圖1. 液態(tài)金屬基導(dǎo)電水凝膠的制備機(jī)理

  HAADF-STEM，TEM-EDS，FTIR，XPS等表征手段證實(shí)了PAA-ACC-LM@TA水凝膠的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2. PAA-ACC-LM@TA水凝膠的結(jié)構(gòu)和組成表征

  由于分級(jí)結(jié)構(gòu)和層級(jí)功能化的作用，PAA-ACC-LM@TA水凝膠表現(xiàn)出多功能性的組合(圖3)。隨著液態(tài)金屬的加入，PATL水凝膠在低頻時(shí)表現(xiàn)出類(lèi)液性，這個(gè)功能非常有利于其作為電生理電極貼片，可以輕易地鋪展在不均勻的人體皮膚表面；同時(shí)，PATL水凝膠材料具有不挑選基底的粘附能力，粘附強(qiáng)度達(dá)到從濕態(tài)的28.9kPa至干態(tài)的0.96MPa；此外，水凝膠還表現(xiàn)出拉伸性（超過(guò)2000%）、觸變性、溫度敏感性、自愈合能力（88.8%）、生物相容性和導(dǎo)電性（28.3 mS/m），這些功能組合使其具備作為可穿戴傳感器的潛力。

圖3. 液態(tài)金屬基水凝膠的力學(xué)性能和表現(xiàn)

  將PATL水凝膠組裝為電生理電極貼片，其具有高靈敏度、循環(huán)穩(wěn)定性和耐用性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體肢體運(yùn)動(dòng)(如手指和手腕彎曲)和細(xì)微的電生理信號(hào)(包括肌電和心電圖信號(hào))，為心血管/肌肉相關(guān)疾病和肢體康復(fù)訓(xùn)練提供重要的診斷信息(圖4)。與商業(yè)的電生理電極貼片相比，PATL水凝膠不僅具有可重復(fù)實(shí)用性，還具有更高的信噪比（22.92 dB），可以更準(zhǔn)確地讀取生理信號(hào)。此外，PATL水凝膠貼片還可作為柔性觸摸鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)可靠的手寫(xiě)-電信號(hào)-文本轉(zhuǎn)換，并通過(guò)與智能機(jī)械手的無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)智能人機(jī)交互（圖5）。本研究工作為制造具有集成多功能傳感能力的新型電生理電極貼片鋪平了道路，在健康診斷、康復(fù)訓(xùn)練和可穿戴電子設(shè)備方面顯示出巨大潛力。

圖4. 液態(tài)金屬基水凝膠作為電生理電極替代品的多功能傳感應(yīng)用

圖5. PAA-ACC-LM@TA水凝膠的人機(jī)交互策略

  以上研究成果近期以“Reusable Liquid Metal-Based Hierarchical Hydrogels with Multifunctional Sensing Capability for Electrophysiology Electrode Substitution”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。成都大學(xué)高等研究院魏竟江研究員為第一作者，碩士研究生陳昊為共同第一作者，通訊作者為魏竟江研究員、王清遠(yuǎn)教授和傅正義院士。

  該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目、四川省天府峨眉計(jì)劃、以及湖北省隆中實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目等基金的大力支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16933

作者簡(jiǎn)介

  魏竟江，成都大學(xué)特聘研究員，四川省“天府峨眉計(jì)劃”青年人才項(xiàng)目獲得者。博士畢業(yè)于武漢理工大學(xué)（師從傅正義院士），在瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（Empa）進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng)。主要從事仿生材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面相互作用機(jī)理研究，發(fā)展仿生水凝膠的增韌和仿生陶瓷的室溫化制備新技術(shù)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省自然科學(xué)基金、湖北隆中實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、成都大學(xué)人才引進(jìn)等項(xiàng)目。近年來(lái)，相關(guān)的研究工作在Research, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Interdiscip. Mater.等期刊發(fā)表SCI論文30余篇。

  王清遠(yuǎn)，四川大學(xué)教授，原成都大學(xué)校長(zhǎng)。他于1998年獲得巴黎中央學(xué)院博士學(xué)位，1999年至2003年在普渡大學(xué)工程學(xué)院從事博士后研究，并在鹿兒島大學(xué)擔(dān)任JSPS研究員。承擔(dān)和完成重點(diǎn)、杰青和重大科研儀器項(xiàng)目等國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。發(fā)表Web of Science 收錄論文200余篇，被他人引用5000余篇次，2014-2021連續(xù)八年入選Elsevier中國(guó)高被引學(xué)者。2006年獲教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第一完成人），2014年、2019年分別獲四川省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第一完成人），2018年、2022年分別獲四川省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)（第一完成人），2018年獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（第一完成人），2021年入選2020全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（“生涯影響力”和“年度影響力”雙榜單）。

  傅正義，武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授，材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)家杰出青年基金獲得者；中國(guó)工程院院士、俄羅斯工程院外籍院士、世界陶瓷科學(xué)院院士、美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)會(huì)士、歐洲陶瓷學(xué)會(huì)榮譽(yù)會(huì)士；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基礎(chǔ)材料”專(zhuān)家組專(zhuān)家，教育部科技委材料學(xué)部委員；國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人。長(zhǎng)期從事多功能陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料、新結(jié)構(gòu)與新材料體系探索、原位反應(yīng)合成與制備新技術(shù)、高效燒結(jié)與加工新技術(shù)、材料過(guò)程仿生制備新技術(shù)等方面的研究。先后獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技與教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文400余篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利90余項(xiàng)。