CM多模式战术传感超拉伸透明自粘和3D可打印离子水凝胶

　　【介绍】
　　基于离子凝胶的电子设备在未来的医疗保健/生物医学应用中是必不可少的，例如先进的诊断、治疗、物理治疗等。然而，已经投入了大量的努力来整合超高的拉伸性、透明度、自粘性和低成本制造处理现实世界中的多种应用场景。
　　【摘要】
　　最近， 杭州师范大学 黄又举、 英国诺森比亚大学 徐斌副教授、 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 陈静副研究员 团队共同 通过将富含电荷的多两性离子引入天然多糖网络来描述一种基于离子导电水凝胶的电子技术。 所提出的水凝胶具有超高的拉伸性 (975%)、独特的光学透射率 (96.2%) 和通用的保形粘附。 仿生水凝胶电子器件具有优异的双力/温感和高灵敏度。
　　此外，该团队通过增材制造工艺开发了专用传感器阵列，并展示了基于关节弯曲、脉搏、声带振动、脑电图、眼球运动的多通道信号采集来监测身体活动或分析人体精神状态的可行性这种基于多功能离子水凝胶电子平台的一体化策略有望在智能机器人、人机界面和可穿戴监控系统中开辟新的战术传感应用。相关论文以题为  Ultrastretchable, Highly Transparent, Self-Adhesive, and 3D-Printable Ionic Hydrogels for Multimode Tactical Sensing  发表在 《Chemistry of Materials》 上  。
　　【主图导读】
　　图 1.  (a) 藻酸盐/P(SBMA-co-HEMA) 水凝胶 (AHS) 的示意图，具有通过可逆非共价相互作用交联的半互穿网络。(b) 全面实现其对双力/温度感觉的超拉伸性、透明度、附着力和可印刷性。
　　图 2. (a) 前体溶液中不同 SBMA 含量的 AHSx 水凝胶的代表性拉伸应力-应变曲线，从 0.5 到 2.0 mol L-1。(b) AHS1.5 水凝胶在逐渐增加的应变（100、200、300、400、500、600、700 和 800%）下的循环拉伸加载-卸载曲线。每个循环后的放松时间为 1 小时。(c) AHSx 水凝胶在可见光范围内的透射率。(d) 具有不同 SBMA 含量的 AHSx 水凝胶对不同基材的粘附强度和 (e) AHS1.5 水凝胶在不同基材上重复粘附五个循环。(f) 已报道的导电水凝胶的拉伸应变、透射率和粘附强度的比较。(g) 使用 CCK-8 测定对与 AHS1.5 水凝胶提取物和对照（细胞培养基）共培养 6、24、48 和 72 小时的 3T3 细胞进行细胞毒性和细胞增殖的评估。(h) 与 AHS1.5 水凝胶提取物和对照共培养 24 小时和 72 小时的 3T3 细胞活/死染色的激光扫描共聚焦显微镜图像。(i)皮下植入 3 天和 15 天后的 HE 染色。
　　图 3.  AHS1.5 水凝胶的电阻变化率和灵敏度对 (a) 拉伸应变和 (b) 压缩应变的依赖性。(c) AHS1.5 水凝胶在 50% 压缩应变下 10000 次循环的循环稳定性测试（每个循环的持续时间为 5 s）。(d) AHS1.5 水凝胶的电阻变化率和灵敏度 (TCR) 对温度的依赖性（R0 是指水凝胶在 2°C 时的电阻）。(e) 柔性导电材料的热敏能力比较。
　　图 4.  基于时间依赖电阻变化的实时监测 (a) 不同角度的手指弯曲、(b) 脉搏和 (c) 声带振动。（d）基于水凝胶的传感器的示意图，当它分别接近（e）气球和（f）自热热补丁时，机器人具有（e）力和（f）温度双传感能力，基于 离子传导机制。
　　图 5.  (a) 用于心理健康评估的多模传感示意图。(b) 四通道排列和使用准备好的 AHS 水凝胶的 EEG 探头。(c) 基于时间依赖性电压和电阻变化的 EEG、EM 和前额温度的实时监测（志愿者的前额在 0 s 时预冷）。
　　图 6.  (a) 具有 9 × 9 像素 (8 × 8 cm2) 的三维 (3D) 打印 AHS1.5 水凝胶传感器阵列。（b）手腕上和起皱下的传感器阵列的图片，以显示其与皮肤的适形性。(c) 用两根手指按压传感器阵列和 (d) 用电阻变化的实时二维映射在传感器阵列上方加热的图片。右侧显示了像素信号的相应映射配置文件。
　　【总结】
　　团队提出了一种离子导电水凝胶，它具有生物相容性、超拉伸、透明、自粘和 3D 可打印特性，可用于多模战术传感。通过可逆氢键和静电相互作用形成的物理交联网络可实现高达 975% 的超拉伸性。 水凝胶还表现出独特的透光率 (96.2%) 和对不同基材的普遍粘附。此外，传感器阵列可以通过简便且大规模的增材制造方法制造，为未来的放大制造打开了新的窗口。水凝胶电子器件能够精确变形和温度敏感性。团队展示了离子凝胶电子学在多模战术传感中的应用。这些在功能和制造方面的优势揭示了各种有前途的应用，如动作捕捉、生理和心理健康评估以及人机界面。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01246
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