南京工业大学董晓臣团队:在人体肌肉仿生高拉伸、自愈合多功能水凝胶传感器研究方面取得新进展
2019-12-16 11:26:21   来源:
【背景介绍】
近年来,水凝胶因其良好的生物相容性、力学柔韧性和环境友好等特点在可穿戴集成电子器件方面显示出巨大的优势。但是,目前报道的水凝胶传感器很难同时兼备高拉伸、高敏感度因子 (gauge factor) 和低温自愈合等特性,同时水凝胶极易在室温条件下失水,导致粘附性丧失和电学响应性能降低,这对水凝胶柔性可穿戴器件提出了新的挑战。此外,目前报道的水凝胶温度传感器由于高温条件下失水加剧,很难表现出宽温度响应区间、高电阻-温度系数(TCR)以及良好的温度传感可重复性。
【成果简介】
针对目前水凝胶柔性传感器存在的敏感度因子低、低温自愈合效率差、室温失水严重和难以检测人体温度等缺点,基于之前的研究工作(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802576; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 5949-5956; Adv. Mater., 2017, 29, 1606411; ACS Nano, 2018, 12, 56-62),南京工业大学董晓臣教授课题组通过人体肌肉纤维纳米材料仿生设计,在高分子水凝胶中引入聚苯胺纳米纤维 (PANI NFs)和甘油,制备了高敏感度因子可低温自愈合高保水抗蒸发高电阻-温度系数的多功能水凝胶传感器,传感器可用于柔性触摸板及“人工发烧-退烧指示剂”等领域。
Figure 1. 肌肉纤维仿生增强水凝胶可拉伸性;纤维状神经细胞对刺激信号的“感知-传输-处理”机制;纤维状PANI NFs的SEM图;水凝胶组成及各组分间的相互作用。
通过人体肌肉纤维仿生设计,PANI NFs力学增强水凝胶表现出优异的双轴面积延伸率(1500%)、快速铸模成型及高拉伸性和高导电性。
Figure 2. PPBN-水凝胶自愈合性能与自愈合时间和次数的关系;PPBN-水凝胶在冷冻条件下(-26℃)的自愈合能力;PUN-和PPBN-组成的异质水凝胶自愈合性能;自愈合机理。
首先,该基于甘油/水二元溶液水凝胶前驱体体系中,甘油可以抑制低温条件下冰晶的形成,确保高分子链在低温下具有良好的运动能力;其次,PANI NFs之间的氢键作用、PANI NFs与甘油之间的氢键作用、PAA与Fe3+之间的配位螯合作用、PANI与PAA之间的静电相互作用确保该水凝胶低温下具备良好的自愈合能力。
Figure 3. 水凝胶用作温度传感器。
加热条件下,PANI NFs纳米纤维界面会之间发生carrier hopping,具有较高的温度膨胀系数,使得该水凝胶传感器可用于温度传感,其电阻-温度系数(-0.016 °C−1)远高于已报道柔性可拉伸温度传感器;同时该传感器表现出较快的温度响应和热源-距离依赖性。
Figure 4. 水凝胶温度传感器用于“artificial fever indicator”。

为进一步探究该水凝胶温度传感器的实际应用性能,董晓臣教授带领团队进一步将温度传感器制成“artificial fever indicator”,研究了其对模拟“人工发烧-退烧”过程的温度响应性能。

该研究成果以题为“Muscle-Inspired Self-Healing Hydrogels for Strain and Temperature Sensor”发布在国际著名期刊ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.9b07874)上。

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