《JCIS》中国科学技术大学：双交联网络有机水凝胶柔性装置用于无线可穿戴传感

第一作者：Yapeng Zheng

通讯作者：Zhou Gui，Jixin Zhu

通讯单位：中国科学技术大学

DOI: 10.1016/j.jcis.2023.09.051

背景介绍

随着可穿戴电子设备的快速发展，对能够提供长期可靠信号传感能力的复杂材料的需求越来越大，包括提高传感器精度和减少皮肤刺激。导电水凝胶由于其可调的灵活性、响应性刺激和多模式传感集成，已成为无线可穿戴传感的通用材料，有助于在不同场景中高效收集数据。这些独特的特性使其非常适合广泛的传感应用，包括医疗保健监测、环境传感、人机交互以及可穿戴设备的开发。然而，充分发挥其潜力目前受到一些挑战和限制的阻碍。电导率低、机械韧性有限和长期保水能力不足等问题导致传感性能下降和设备寿命缩短。此外，确保与各种传感模式的兼容性，包括压力、温度和生物化学传感，需要进一步探索和研究。因此，水凝胶的定制结构设计在应对这些挑战和推进柔性电子设备中的复杂和定制结构方面具有至关重要的意义，最终实现无缝集成和无线操作。

大量研究已经证明了多功能集成水凝胶复合材料的制备。例如，已经广泛研究了各种无机纳米填料的掺入，如碳纳米管（CNTs）、液态金属、纤维素纳米纤维（CNFs）和过渡金属碳化物（MXenes），以提高水凝胶复合材料的电性能和机械兼容性。此外，包括离子液体（ILs）、聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）在内的有机水凝胶由于其成本效益、易于加工、电化学可逆性和生物相容性优点而引起了人们的极大关注。尽管有上述优点，但导电性不均匀、机械性能不一致和长期保水能力有限的限制和挑战仍然存在，这大大阻碍了基于水凝胶的柔性传感设备的持续使用和寿命。均匀的导电性是水凝胶的一个关键特性，能够实现精确的信号传感，而匹配的机械性能确保了基于水凝胶的传感设备的可靠利用。此外，足够的保水能力保证了基于水凝胶的柔性传感设备中持久有效的信号传感。有机水凝胶具有可定制的结构设计、可调的电导率、增强的机械灵活性和长期保水能力，在集成、高性能和定制的柔性传感应用中具有巨大的前景。

本文亮点

1. 本工作通过采用量身定制的物理-化学双重交联策略来制备具有高性能的动态可逆有机水凝胶，从而解决了这些挑战。

2. 所得有机水凝胶表现出非凡的特性，包括高拉伸性（高达～495%应变）、显著的韧性（拉伸强度和压缩强度分别为～1350 kPa和～9370 kPa）和卓越的透明度（～90.3%）。此外，它们还表现出优异的长期保水能力（＞2424 h，＞97%）。

图文解析

图1. 双交联网络PDMAA（聚N，N-二甲基丙烯酰胺）/PVA（聚乙烯醇）@CaCl2有机水凝胶的设计、结构特征和高性能。说明有机水凝胶的双重交联网络结构和功能的示意图。b概述有机水凝胶的制造步骤的示意图。c显示有机水凝胶复合材料中掺入的功能单体的分子结构的示意图。d显示有机水凝胶的光学图像。e复合光学照片展示了有机水凝胶的综合机械性能，包括拉伸性、压缩性、稳健性和耐切割性。f SEM图像和相应的元素图谱图像，描绘了静止状态下有机水凝胶的表面观察。

图2. 有机水凝胶的结构设计和性能。a双交联网络的设计原理和优点。b P（DMAA）/PVA/@CaCl2有机水凝胶在不同CaCl2浓度下的拉伸性能。c在恒定的40 wt% CaCl2含量下，具有不同PVA与DMAA质量比的有机水凝胶的拉伸性能。d通过50%至400%应变的加载-卸载试验获得的循环应力-应变曲线。e无间隔的循环应力-应变试验。f通过10%至90%应变的加载-卸载试验表征的压缩性能。g无间隔的循环压缩试验。h有机水凝胶的透射光谱。i暴露于室温空气的有机水凝胶的保水特性。j本研究中开发的有机水凝胶与文献中先前报道的有机水凝胶的综合比较。

图3. 具有基于有机水凝胶的定制结构设计的柔性设备。a定制的机械结构装置。b定制设计的微针阵列结构装置。

图4. 基于有机水凝胶的柔性离子导体在可穿戴温度传感系统中的通用性。用于照明LED光的基于有机水凝胶的离子导体的详细结构的示意图。使用有机水凝胶作为离子导体在各种变形状态下的LED亮度比较：b初始状态、c拉伸状态、d扭曲状态和e-f压缩状态。g基于有机水凝胶的可穿戴柔性传感器的装置设计和配置示意图。h基于有机水凝胶的可穿戴柔性传感器的有机水凝胶的物理照片。i基于有机水凝胶的温度传感系统的工作原理示意图。

图5. 电气和温度传感性能。a温度传感器I-V测量在−10°C至80°C的范围内进行。b有机水凝胶在0–80°C温度范围内的电导率表征。e基于有机水凝胶的传感器的电阻温度系数（TCR）。d和e在20°C至40°C的十个加热和冷却过程中的耐久性表征。f实时监测十个连续冷却过程中的电阻变化（温度：分别为20°C至g 0°C、h 5°C和i 10°C）。

图6. 双交联网络有机水凝胶的应变传感性能。a拉伸和恢复过程中应变感应机制的结构示意图。b有机水凝胶中的双重交联网络结构的说明。c基于有机水凝胶的应变传感器对小菌株（5%-50%）的实时电阻变化。d大菌株的实时抗性变化（75%-150%）。e不同拉伸速率（50、100和200 mm/min）下的实时电阻变化。f在100%应变下2500 s的循环拉伸过程中的实时电阻变化。g在各种压力水平（低、中、大压力）下压力传感的实时电阻变化。h基于有机水凝胶的柔性传感器的响应时间和滞后时间分析。i压力大小和速率识别的实时阻力响应。

图7. 生理信号和运动的高级传感、识别和无线传输。用于人体生理信号和运动传感的基于有机水凝胶的可穿戴柔性传感器的示意图。人体生理信号和运动检测测试：b手指弯曲，c手腕弯曲，d肘部和膝盖弯曲，e准确识别手写字母“U”、“S”、“T”和“c”，f监测和识别行走、跑步和跳跃，g正常、深呼吸和运动后呼吸（戴在口罩上），h喉关节的吞咽和饮水识别。i用于生理和运动感测信号采集和无线传输的集成感测系统的示意图。j展示无线可穿戴系统的实物图像。k集成无线可穿戴系统，结合了基于有机水凝胶的柔性传感器，能够实时监测和传输人体生理信号和运动。