長春工業大學高光輝：生物基水凝膠傳感器，用于測量具有穩定附著力和超高韌性的人體運動

非金非土非木

2021年5月18日 10:27

【科研摘要】

適應性可以滿足基本的技術應用要求。因此，迫切需要具有持久的粘合性，超高的韌性和超彈性的水凝膠基換能器。最近，長春工業大學高光輝教授團隊通過將羧甲基殼聚糖和酪蛋白酸鈉引入聚丙烯酰胺水凝膠體系中，成功制備了皮膚狀水凝膠傳感器。

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另外，聚丙烯酰胺 -酪蛋白鈉-羧甲基殼聚糖鈉（PAAM-SC-CC）水凝膠具有很強的機械性能和出色的機械柔韌性，這在很大程度上歸功于足夠的能量耗散機理。出人意料的是，PAAM-SC-CC水凝膠對各種固體基質和人體皮膚均表現出穩定且可重現的粘合力。由于酪蛋白酸鈉驅動的大量游離離子，PAAM-SC-CC水凝膠可以保持穩定而靈敏的離子電導率，而無需添加其他填料。

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實驗證明，它可以應用于復雜信號的人體運動監控領域。因此， PAAM-SC-CC水凝膠傳感器可以監測人體在不同應變范圍內的運動，包括喉嚨運動和關節伸展。可以想到具有各種特性的這種基于水凝膠的柔性換能器，以擴大生物電極，人機，個性化醫療健康領域等的應用領域。相關論文以題為 Bio-Based Hydrogel Transducer for Measuring Human Motion with Stable Adhesion and Ultrahigh Toughness 發表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

【主圖導讀】

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圖 1. 與PAAM-SC-CC水凝膠有關的結構機理和應用顯示。

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圖 2. （a）PAAM水凝膠，PAAM-SC水凝膠，PAAM-CC水凝膠和PAAM-SC-CC水凝膠的拉伸應力-應變曲線；（b，c）分別關于SC和CC的不同比率的拉伸應力-應變曲線；（d–f）分別對應（a），（b）和（c）的彈性模量和韌性。（g）中顯示了PAAM-SC-CC水凝膠的拉伸性能。

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圖 3. （a，b）不同應變（200–1000％）的PAAM-SC-CC水凝膠的拉伸循環測試，并通過條形圖表示應力和滯后的比較表示；（c，d）在1000％應變下，對PAAM-SC-CC水凝膠進行了10次連續的拉伸循環測試，并且顯示了具有不同初始組分的水凝膠的拉伸循環性能的比較；（e）PAAM-SC-CC水凝膠具有很強的拉伸周期性能，該凝膠呈線狀并隨重量而擺動；（f，g）PAAM-SC-CC水凝膠在90％變形百分比下的十個壓縮循環；（h）使用質地分析儀測試的PAAM-SC-CC的壓縮循環性能；（i）施加力 10分鐘后，在20％應變下約10個連續循環的應力松弛曲線。

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圖 4. （a）具有各種初始組分的水凝膠的水平剝離強度對比；（b）比較水凝膠在其他基材上的剝離強度，這些基材包括木材，鈦，玻璃，鋁，硅橡膠，聚乙烯和聚四氟乙烯；（c）鋁基體連續剝皮10次；（d）PAAM-SC-CC水凝膠對包括橡膠，玻璃，鐵，塑料，硬紙板和PTFE在內的不同基材的粘附性表現；（e）PAAM-SC-CC水凝膠對塑料的粘合性能，該塑料在空氣中粘附然后在水下放置；（f）將水凝膠貼在人體手臂上并手動剝離的示意圖。

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圖 5. （a，b）與具有不同初始成分的水凝膠有關的流變應變掃描和頻率掃描；（c）紅外掃描光譜法涉及兩種不同的生物基材料，即SC和CC以及它們的混合物；（d–f）PAAM-SC水凝膠，PAAM-CC水凝膠和PAAM-SC-CC水凝膠的SEM圖像。

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圖 6. （a）不同水凝膠伸長率的LED亮度變化和恢復；（b）不同水凝膠組分的各種離子電導率；（c）電阻率隨拉伸應變的變化而變化；（d，e）PAAM-SC-CC水凝膠在不同應變（1和10、20、30、40、50和100、200、300、400和500％）拉伸循環條件下的電性能;（f）在應變變化下水凝膠樣品的電阻響應時間和恢復時間；（g）在50％應變下將PAAM-SC-CC水凝膠連續拉伸500個循環時觀察到的電阻變化率，以及（h）從500到800 s的詳細圖表；（i）比較本作品與當代作品之間的反應時間。