高光輝團隊：在乳液粒子增韌水凝膠方面取得進展

　　皮膚是人體最大的體表感官器官，具有保護、排泄、調節體溫和感受外界刺激等作用。隨著科學技術的進步，模仿人類皮膚感知功能（如溫度，濕度，壓力等）的仿生電子設備陸續出現，并已在人機界面，軟體機器人，可穿戴傳感器等領域實現應用。近年來，離子導電水凝膠，由于其柔軟，可拉伸，在結構和機械特性方面類似于生物組織，在方面取得了重大進展。然而，目前成熟的聚丙烯酰胺基水凝膠的力學性能較差，尤其是自恢復性和抗疲勞性，這嚴重影響實際應用中的循環性和耐久性。無機納米粒子具有特殊的表面效應和尺寸效應，其作為無機物增韌相增強水凝膠已受到越來越多的科研工作者的關注。然而，目前大多數的納米復合水凝膠，一方面，由于結構單一，網絡中缺乏有效的能夠耗散機制；另一方面，由于納米粒子表面能很高，極易發生團聚，使得水凝膠的強度和韌性的提高并不理想，限制了其實際應用和功能開發。核殼乳液聚合以其產物的獨特結構和性能受到廣大研究者的重視。不同于簡單的無機納米粒子表面改性，核殼雜化乳液粒子借助乳化劑的作用能夠均勻的分散在水中，其已被廣泛應用于抗沖改性劑、涂料、粘合劑等許多領域。因此，開發一種核殼雜化乳液粒子增韌的離子導電水凝膠材料，使其兼具類似皮膚的力學性能和感知能力，在組織工程、可拉伸電子器件及可穿戴設備等領域具有潛在的應用價值。

　　針對上述問題，長春工業大學高光輝課題組受人體皮膚啟發，成功開發了一種具有類似皮膚的力學性能和應變、壓力感知性能的雜化乳液粒子增韌水凝膠基傳感器。雜化納米粒子的引入明顯提高水凝膠的力學性能，該水凝膠表現出優異的拉伸性、可恢復性和抗疲勞性，并能夠實現對人體運動的快速、準確、反復地監測。

　　利用細乳液聚合方法，制備二氧化硅-聚丙烯酸丁酯核殼雜化乳液粒子(HLPs)，并將其作為疏水交聯中心引入到疏水締合體系中，成功制備了雜化納米粒子交聯的水凝膠。雜化納米粒子表面的聚丙烯酸丁酯能夠通過疏水作用交聯水凝膠網絡中的甲基丙烯酸十二酯(LMA)疏水鏈段，最終形成雜化納米粒子交聯的水凝膠。這種動態的疏水交聯結構能夠通過破壞和重組耗散大量的能量來提高力學性能，并賦予水凝膠優異的自恢復性和抗疲勞性。此外，體系中導電離子的加入也賦予了水凝膠優異的導電性，使其能夠組裝成電阻型傳感器。

圖1.雜化納米粒子交聯的水凝膠的制備過程和形成機理

　　自恢復性和抗疲勞性是人類皮膚抵抗生理或外力以及日常活動中的機械損傷的重要特性。基于動態交聯網絡，水凝膠展現出類似皮膚甚至超越皮膚的力學性能，其能夠抵抗外力的拉伸和刺穿等機械破壞。同時，循環拉伸和流變測試結果表明，該水凝膠表現出快速的自恢復性能。值得注意的是，該水凝膠具有優異的抗疲勞性能，能夠承受100次的反復壓縮，這將明顯提高水凝家膠基傳感器的循環性和耐久性。

圖2.水凝膠的機械性能測試：(a)水凝膠的性能展示；(b)不同組分的水凝膠的拉伸應力-應變曲線；(c)恢復前后的水凝膠的拉伸循環曲線；(d)水凝膠的循環剪切應變測量；(e)壓縮循環應力-應變曲線；(f)10%和50%應變下100次壓縮循環測試

　　此外，與大多數已報道的水凝膠基應變傳感器相比較，該水凝膠表現出極大的應變探測范圍（2000%）和較高的靈敏度（5.44）。值得注意的是，水凝膠可以作為壓力傳感器以檢測壓力刺激，其最小探測應變為3kPa。并且，水凝膠的動態交聯結構使得水凝膠傳感器展現出較快的響應時間（152ms）和恢復時間（147ms）。

圖3. (a)LED燈的亮度隨水凝膠伸長率的變化；(b)水凝膠在不同拉伸應變下的相對電阻變化；(c)水凝膠的應變敏感表現與目前所報道的水凝膠應變傳感器的比較；(d)手指按壓水凝膠前后LED燈的亮度變化；(e)水凝膠在不同壓力下的電阻變化；(f)水凝膠壓力傳感器的響應時間和恢復時間

　　基于水凝膠的高靈敏度、快響應性和循環穩定性，其可作為可穿戴式傳感器以實現對人體活動快速、準確地監測，包括細微的發聲、呼吸和大尺度的關節彎曲以及走路、跳躍等運動。這種結合類似皮膚的力學性能和應變、壓力感知能力于一體的水凝膠將在可穿戴傳感器領域具有廣泛的應用前景，同時也為開發新型仿生皮膚設備提供了新的研究思路。

圖4.(a)水凝膠基應變傳感器與手指整合的圖像；(b)水凝膠基壓力傳感器置于鞋底的圖片；(c-h)水凝膠傳感器對人體不同運動的監測：(c)發聲、(d)呼吸、(e)手指彎曲、(f)手肘彎曲、(g)走路、(h)跳躍

　　這一工作以題目為“Bioinspired dynamic cross-linking hydrogel sensors with skin-like strain and pressure sensing behaviors”的研究論文發表在《Chemistry of Materials》雜志上。論文的第一作者為長春工業大學化學工程學院博士生夏珊，通訊作者為高光輝教授。