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


水凝膠的力學性能特別是抗疲勞等性能對柔性傳感器的實際應用至關重要，傳統(tǒng)化學交聯(lián)的水凝膠由于凝膠網(wǎng)絡的不均勻性和缺乏有效的能量耗散機制，容易對水凝膠網(wǎng)絡造成不可逆的損害，影響水凝膠中生理信號傳感的可靠性，限制了水凝膠在柔性傳感中的實際應用。目前在可穿戴柔性傳感器的長期應用中，設計具有優(yōu)良力學性（高柔性、高回彈等）和高穩(wěn)定性的水凝膠仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
近期，華南理工大學材料科學與工程學院、國家人體組織功能重建工程技術研究中心賈永光、施雪濤、王琳與南洋理工大學趙彥利合作，應用天然分子膽酸和β-環(huán)糊精主客體組裝成的準輪烷作為可聚合交聯(lián)劑（圖1），以丙烯酰胺（Am）為單體，將導電的離子液體（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交聯(lián)點（β-環(huán)糊精-膽酸輪烷單元）產(chǎn)生的“滑輪效應”提供了與固定交聯(lián)點顯著不同的力學性能，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的設計和3D打印應用

圖2 PR-Gel力學性能和耐穿刺性能表征

將該凝膠與DLP 3D打印技術相結(jié)合，制備了具有復雜幾何結(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)精確的實時人體運動檢測和心電信號的原位監(jiān)測（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碩士生熊雪茹。該研究得到國家自然科學基金委等項目的支持。

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計提供了新的范例，也為3D智能柔性電子設備的開發(fā)創(chuàng)造了新的機遇。

參考文獻：
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