近年來，柔性傳感器在人體健康/運動監(jiān)測、電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。作為柔性傳感器的材料需同時具備優(yōu)異的力學(xué)性能（高強度、高延展性、高彈性）、感知性能（高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍）、貼合性、低能耗、生物相容性、易大規(guī)模制備等特點。然而，對于如何實現(xiàn)柔性傳感器集上述多種性能于一體，目前仍面臨很大挑戰(zhàn)，使其在實際中的應(yīng)用受阻。最近，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院隋坤艷教授和美國馬里蘭大學(xué)帕克分校化學(xué)與生物化學(xué)系聶志鴻教授，受人體皮膚組成以及傳感原理的啟發(fā)，研發(fā)出一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器。

該研究采用一價無機鹽(如NaCl)誘導(dǎo)半剛性海藻酸鈉（SA）分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為能量耗散網(wǎng)絡(luò)，聚丙烯酰胺（PAM）化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)依然作為支撐彈性網(wǎng)絡(luò)；與此同時，NaCl和SA亦可提供大量的導(dǎo)電離子賦予水凝膠高的導(dǎo)電性，從而實現(xiàn)水凝膠中力學(xué)網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)二者之間協(xié)同效應(yīng)機制的構(gòu)筑。基于此，該水凝膠從組成上和結(jié)構(gòu)上（SA納米纖維、PAM彈性網(wǎng)絡(luò)、NaCl）可模擬人體皮膚（膠原蛋白纖維、彈性纖維、無機鹽）。制備得到的水凝膠呈現(xiàn)出高透明度(99.6%)、高拉伸強度(0.75 MPa)、抗壓縮（汽車碾壓后立刻回彈）、高延展性(3120%)、高韌性（4.77 MJ m-3）、高應(yīng)變下依然保持高彈性等優(yōu)異性能。進而應(yīng)用于離子傳感器，展現(xiàn)出高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍(0.3%~1800%)、優(yōu)異的貼合性和穩(wěn)定性，并且可以在0.04V的低電壓下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體從大幅度運動（四肢）到微小形變（發(fā)音、脈搏）等即時及穩(wěn)定檢測。該成果以題為“Supramolecular Nanofibrillar Hydrogels as Highly Stretchable, Elastic and Sensitive Ionic Sensors”發(fā)表在國際知名期刊Materials Horizons上。

圖文速遞

圖1仿生人體皮膚NaCl/SA/PAM離子水凝膠傳感器的設(shè)計與合成

(a) 離子水凝膠傳感器由SA超分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)、PAM化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和無機鹽離子組成，仿生模擬皮膚結(jié)構(gòu)；(b) 由于Na+的靜電屏蔽作用，SA分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維；(c) SA超分子納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備過程。

圖2 NaCl/SA超分子納米纖維溶液的表征

(a) 不同NaCl濃度的NaCl/SA水溶液在小瓶中的宏觀狀態(tài)照片；(b,c) NaCl/SA水溶液中SA超分子納米纖維的AFM圖像和TEM圖像；(d) 不同NaCl濃度的NaCl/SA水溶液的粘度隨剪切速率的變化曲線；(e) 不同NaCl濃度的NaCl/SA水溶液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率的變化曲線；(f) NaCl/SA超分子納米纖維水溶液經(jīng)3000%應(yīng)變處理后的剪切恢復(fù)實驗。

圖3 NaCl/SA/PAM離子水凝膠的宏觀圖片及力學(xué)性能

(a) 厚度為1mm的水凝膠片的透明性；(b) 水凝膠能夠承受自身1300倍的重物；(c) 水凝膠的可注射性；(d) 用模具制作的海星狀水凝膠及其自粘附性能；(e) 不同NaCl濃度水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(f) 由拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到的水凝膠彈性模量和韌性；(g) 水凝膠在1000%應(yīng)變下連續(xù)20次的加載-卸載循環(huán)曲線。

圖4 離子水凝膠傳感器的靈敏度及重復(fù)性

(a) 在0.04V電壓下，傳感器能夠檢測的應(yīng)變范圍為100-300%；(b) 在0.5V電壓下，傳感器的相對電阻變化隨時間的變化以及所能測到的最小應(yīng)變；(c) 在1800%大應(yīng)變下，傳感器的10次循環(huán)測試；(d) 傳感器的相對電阻變化隨應(yīng)變的變化；(e) 傳感器的靈敏度因子隨應(yīng)變的變化；(f) 傳感器的相對電阻變化隨壓力的變化，插圖是壓縮靈敏度隨壓力的變化。

圖5 傳感器對人體各種運動的實時監(jiān)測

(a-c) 傳感器實時監(jiān)測手指、肘關(guān)節(jié)和膝蓋等大幅度運動；(d) 傳感器實時監(jiān)測不同的人發(fā)同樣的音“你好”，可用于聲音識別；(e) 傳感器實時監(jiān)測同一個人發(fā)音“你好，我好，大家好”，可區(qū)分不同發(fā)音（你、我、大家）和相同發(fā)音（好）；(f) 傳感器實時監(jiān)測同一個人運動前后脈搏跳動的微小變化。

在本工作中，該離子傳感器同時具有良好的生物相容性、貼合性、成本低、制備方法簡單、易大規(guī)模制備等優(yōu)點。更重要的是，該離子傳感器利用無機鹽導(dǎo)電離子對半剛性聚電解質(zhì)的靜電屏蔽作用，同時構(gòu)筑了力學(xué)耗散網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了水凝膠材料中多重組分的協(xié)同效應(yīng)機制，賦予離子傳感器眾多優(yōu)異性能，對于未來開發(fā)新型高性能的智能皮膚及柔性可穿戴材料具有一定的啟發(fā)。

原文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh01188e#!divAbstract

來源：高分子科學(xué)前沿