華南理工賈永光/施雪濤/王琳和南洋理工趙彥利：可聚合輪烷水凝膠3D打印的柔性傳感器

來源：高分子科技


水凝膠的力學(xué)性能特別是抗疲勞等性能對(duì)柔性傳感器的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)的水凝膠由于凝膠網(wǎng)絡(luò)的不均勻性和缺乏有效的能量耗散機(jī)制，容易對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)造成不可逆的損害，影響水凝膠中生理信號(hào)傳感的可靠性，限制了水凝膠在柔性傳感中的實(shí)際應(yīng)用。目前在可穿戴柔性傳感器的長(zhǎng)期應(yīng)用中，設(shè)計(jì)具有優(yōu)良力學(xué)性（高柔性、高回彈等）和高穩(wěn)定性的水凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
近期，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、國(guó)家人體組織功能重建工程技術(shù)研究中心賈永光、施雪濤、王琳與南洋理工大學(xué)趙彥利合作，應(yīng)用天然分子膽酸和β-環(huán)糊精主客體組裝成的準(zhǔn)輪烷作為可聚合交聯(lián)劑（圖1），以丙烯酰胺（Am）為單體，將導(dǎo)電的離子液體（氯化膽堿，ChCl）引入乙二醇/水二元溶劑體系中，制備出具有優(yōu)異拉伸性能、抗疲勞性、耐穿刺等多功能于一體的PR-Gel。原位小角X-射線散射、X-射線衍射等手段證明了可移動(dòng)交聯(lián)點(diǎn)（β-環(huán)糊精-膽酸輪烷單元）產(chǎn)生的“滑輪效應(yīng)”提供了與固定交聯(lián)點(diǎn)顯著不同的力學(xué)性能，能夠有效地分散施加的作用力，最終使得凝膠具有超強(qiáng)的抗疲勞性能和超快的回彈性能以及優(yōu)異的抗斷裂能力（圖2），基于PR-Gel的柔性傳感器也表現(xiàn)出了出色的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1 PR-Gel的設(shè)計(jì)和3D打印應(yīng)用

圖2 PR-Gel力學(xué)性能和耐穿刺性能表征

將該凝膠與DLP 3D打印技術(shù)相結(jié)合，制備了具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和高分辨率的凝膠柔性器件。基于PR-Gel的應(yīng)變傳感器具有高度靈敏的傳感性能，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和心電信號(hào)的原位監(jiān)測(cè)（圖3）。該工作以“Polymerizable rotaxane hydrogels for three-dimensional printing fabrication of wearable sensors”為題發(fā)表在《Nature Communications》雜志上了（Nature Communications 2023; 14:1331），文章第一作者是華南理工大學(xué)碩士生熊雪茹。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。

圖3 基于PR-Gel的3D打印柔性傳感器

該研究不僅為可打印功能材料的設(shè)計(jì)提供了新的范例，也為3D智能柔性電子設(shè)備的開發(fā)創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：
Polymerizable rotaxane hydrogels for three-dimensional printing fabrication of wearable sensors Nature Communications 2023, 14:1331.
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36920-3