【摘要】

為了滿足各種實際需求并增強人類體驗，具有多功能性的水凝膠對于柔性可穿戴傳感器具有重要意義。最近， 東華大學 凡小山副教授 / 劉天西教授 團隊 已經開發出一種新策略來制造具有優異拉伸性、快速恢復性、自愈性和出色粘附性的納米復合水凝膠。

PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 納米復合水凝膠 是通過丙烯酸 (AAc) 聚合制備的，使用 SiO ₂ -g-PAAm核殼雜化納米粒子 (SiO ₂ -g-PAAm) 作為動態交聯中心。PAAc 基質和接枝的 PAAm 鏈之間的密集動態氫鍵可以可逆地破壞和重建以耗散大量能量。由于這種獨特的特性，配制的水凝膠顯示出廣泛的理想特 性，包括模擬皮膚的模量、 優異的拉伸性 (1600%)、出色的自愈性能（環境溫度下為 96.5%）和快速恢復性 。用所制備的水凝膠制成的傳感器在應變范圍從 50% 到 500% 內表現出較高的檢測靈敏度，應變系數值為 5.86，響 應時間快，抗疲勞性能好。根據出色的粘附性，該傳感器可以附著在不同的基板上，以實現實時運動監控。

在實際的可穿戴傳感測試中，可以感知人體的各種動作，包括微小的吞咽、大笑和說話，以及籃球投籃時手腕、肘部和膝蓋的大規模運動。這些演示預示著我們的傳感器在準確和長期的人體運動中的潛在應用 。相關論文以題為 Fast-Recoverable, Self-Healable, and Adhesive Nanocomposite Hydrogel Consisting of Hybrid Nanoparticles for Ultrasensitive Strain and Pressure Sensing 發表在《 C hemistry of Materials 》上。

【主圖導讀】

圖 1. 混合納米粒子 SiO ₂ -g-PAAm 和密集動態氫鍵交聯 PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 納米復合水凝膠的制備示意圖。

圖 2. 水凝膠 PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 的強度性能。含有不同SiO ₂ -g-PAAm含量和純PAAc的水凝膠的拉伸曲線（a）；PAAc/SiO ₂ -g-PAAm-15%在不同應變下的連續加載-卸載拉伸曲線（b）；PAAc/SiO ₂ -g-PAAm-15% 應變為 500% (d) 的五個加載-卸載拉伸曲線，沒有任何休息時間和休息 1 分鐘 (e)；PAAc/SiO ₂ -g-PAAm-15% 在五次循環加載-卸載測試中的最大應力和能量損失系數（f）。

圖 3 不同 SiO ₂ -g-PAAm 含量的水凝膠在最大應變為 90% 時的壓縮應力-應變曲線（a）；不同CSH試樣在最大應變時的最大應力和耗散能與加載功之比為90%（b）；90% 應變下的連續加載-卸載壓縮曲線 (c)；在 50% 應變下連續 5000 個循環 (d)。

圖 4 PAAc/SiO ₂ -g-PAAm-15%切片0 min (a)、10 min (b)和30 min (c)后的光學顯微鏡圖像，以及原始和愈合(愈合)的拉伸曲線 在環境條件下持續 1 分鐘和 12 小時）（d）、動態交替應變-時間掃描測量（e）和循環剪切應變測量（f）。

圖 5. PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 水凝膠的自粘性能。PAAc/SiO ₂ -g-PAAm水凝膠可以粘附在各種表面上（a）；PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 粘合力的拉伸-粘合試驗示意圖（b）；水凝膠對不同基材的粘合強度（c）；水凝膠對不同基材的粘附能（d）；以及水凝膠對不同基材（e 和 f）的可重復粘附行為。

圖 6 PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 水凝膠應變傳感器結構示意圖（a）；原始傳感器和修復后的傳感器的電阻-應變曲線（插圖顯示了 50% 應變時的電阻變化）（b）；在 100 mm min ^-1 (c) 的固定拉伸速度下，循環阻力在 50-400% 的應變范圍內變化；應變為 100% 時，不同拉伸速度下的相對電阻變化 (d)；傳感器的響應時間（e）；以及基于水凝膠的應變傳感器的自愈能力測試（f）。

圖 7 PAAc/SiO ₂ -g-PAAm 水凝膠壓力傳感器結構示意圖（a）；作為壓力函數的阻力變化從 0 到 5 kPa (b)；循環阻力在 200–5000 Pa (c) 的壓力范圍內變化；在 800 Pa 壓力下，不同壓縮速度下的相對阻力變化 (d)；這項工作與先前報道的論文之間的比較（e）；以及在 1800 Pa (f) 的最大壓力下進行三百次壓縮循環。

圖 8 彎曲角度示意圖（a）；基于水凝膠的傳感器在不同手指彎曲角度（30、60 和 90°）下的電阻信號（b）；吞咽（c）、笑（d）和說出“水凝膠”（e）時，傳感器響應喉嚨不同變形的相對電阻變化；在一個完整的籃球投籃行為中，傳感器附著在不同位置 (f, g) 時的相對電阻變化。

【總結】

通過將混合核殼納米粒子 SiO ₂ -g-PAAm 引入到 PAAc 網絡中，制備了結合多種獨特性能的新型納米復合水凝膠。混合納米粒子 SiO ₂ -g-PAAm 作為動態交聯劑，通過長接枝的 PAAm 鏈和 PAAc 基質之間的密集氫鍵促進水凝膠的形成。由此產生的水凝膠表現出類似于人類皮膚的超柔軟特性和大伸長率。同時，網絡內豐富而集中的氫鍵的協同相互作用使水凝膠具有自愈能力和環境溫度下的快速恢復能力，無需任何外部刺激。 此外，所獲得的水凝膠對不同基材表現出優異的粘合性能。此外，獲得的水凝膠表現出優異的粘合性能，其源 于各種官能團（例如， -NH ₂ 、-OH 和 C=O）和范德華力，可以實現在不同基材（例如玻璃 、 橡膠和鋼）上的有效粘合） 。水凝膠被進一步設計為壓力和應變可穿戴傳感器，具有出色的靈敏度和抗疲勞性能。所準備的傳感器可以準確地監測和區分細微的（例如，吞咽、大笑和說話）和大范圍的人體運動（例如，籃球投籃）。因此，相信這項研究為制造具有優異拉伸性、快速恢復性、自愈性和粘附性的可穿戴水凝膠傳感器提供了一種實用且有意義的方法，用于人體健康監測。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01595