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长春工业大学高光辉教授课题组在高强度抗溶胀水凝胶取得新进展
2019-11-04  来源:高分子科技

  随着可穿戴电子设备的飞速发展,人们迫切需要一种可伸缩、可恢复、可导电的材料来满足监测人体运动的需求。目前,导电水凝胶材料因其具有与生物组织类似的导电和机械特性,已成为一种有前途的基体,如医用电极、柔性传感器、电子皮肤等。其中,柔性应变传感器能够精确地将自身形变转化为可记录的电子信号,具有广泛的应用前景。然而,传统的水凝胶基传感器恢复性较差,并且在液体或生理条件下会不可避免地“溶胀”,这极大地破坏了它的机械性能,严重限制了实际应用。因此,开发一种抗溶胀导电水凝胶材料,使其兼具韧性,自恢复性和抗溶胀性能是一项充满挑战性的工作。

  针对上述问题,长春工业大学高光辉教授团队受软骨组织致密网络结构启发,成功设计并制备了一种兼具有韧性、自恢复性和抗溶胀性与一体的水凝胶基应变传感器,并系统地研究了其力学性能,抗溶胀性能和应变传感性能的稳定性。

  利用丙烯酸(AA)来溶解壳聚糖(CS),并将其引入疏水缔合体系中成功合成HP(AAm/AA)-CS水凝胶。然后将HP(AAm/AA)-CS水凝胶浸泡在FeCl3溶液中,使Fe3+扩散到水凝胶网络中来交联壳聚糖和丙烯酸,最终得到HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶。从而,在水凝胶体系中成功地构建出多重物理相互作用(疏水缔合、配位、氢键、静电等),表现出优异的力学性能和抗溶胀性能。此外,体系中动态离子的存在也赋予了水凝胶优异的导电能力。

图1. HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶的制备过程及形成机理

  众所周知,抗肿胀性是水凝胶在生物医学应用如组织工程中的基本要求。通过实验探究发现HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在不同的溶液环境(H2O、DMSO、生理盐水、海水和不同的pH溶液)下,均具有稳定的抗溶胀性能和机械性能,这将显著拓宽水凝胶的应用范围。值得注意的是,与传统水凝胶不同的是,该水凝胶在水中肿胀后,其机械强度会得到显著提高,在人工软骨应用中具有巨大的潜力。

图2. HP(AAm/AA)-CS和HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在水中的(a)溶胀图像和(b)溶胀曲线;(c) HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在不同pH溶液中的溶胀行为;(d)HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在不同溶液环境下的溶胀行为,包括H2O、DMSO、生理盐水、海水; HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶的力学性能:(e)不同溶胀时间,(f)不同pH条件下溶胀24小时

  此外,对HP(AAm/AA)-CS-Fe3+导电水凝胶进行了应变敏感性测试,发现其在不同应变下(小应变(10 - 90%)和大应变(100 - 500%))均表现优异的应变敏感性。值得注意的是, 在连续300次拉伸循环过程中,该水凝胶传感器的电信号没有明显损失,表现出长期稳定性和重复性。

图3.(a)HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在不同浸泡时间下的导电性能;(b)HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在不同拉伸应变(0~500%)下的相对电阻变化;(c, d))HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶在小应变(10%-90%)和大应变(100%-500%)反复拉伸时的相对电阻变化;(e)HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶300次循环稳定性试验(最大应变50%)

  由于该水凝胶其具有高应变灵敏度、快响应速度、好稳定性等优点,可作为应变传感器快速、准确、重复地监测关节的运动,包括颈部、腕部、肘部和膝盖的活动,甚至可以在水下的监测信号。综上,这种结合了仿生和传感特性的水凝胶将有望成为下一代可植入式电子设备的一个有前景的候选材料。

图4.(a-d)在人体不同部位弯曲条件下的HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶应变传感器的相对电阻变化:(a)颈部、(b)肘关节、(c)手腕、(d)膝关节;(e)HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶应变传感器在水中拉伸时的相对电阻变化;(f) HP(AAm/AA)-CS-Fe3+水凝胶作为触摸屏笔在智能手机屏幕上识别

  这一工作以题目为“Cartilage-inspired hydrogel strain sensors with ultrahigh toughness, good self-recovery and stable anti-swelling”的研究论文发表在Journal of Materials Chemistry A杂志上。论文的第一作者为长春工业大学化工学院硕士生徐加俊,通讯作者为高光辉教授,共同通讯作者为任秀艳副教授

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta09170j#!divAbstract

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