背景介紹

柔性應變傳感器因其在人體運動監測和健康診斷分析、軟機器人、人工智能設備和電子皮膚。可拉伸導電水凝膠因其優異的柔韌性和對變形的高靈敏度，通常被視為柔性應變傳感器的最佳候選者之一。然而，傳統的導電水凝膠通常需要復雜的合成工藝和有毒的原料或交聯劑，這不僅會造成環境問題，還會限制柔性應變傳感器在人體運動監測和健康診斷分析中的應用。此外，理想的導電水凝膠柔性應變傳感器應具有自粘能力，以便水凝膠可以直接附著在皮膚表皮上，而無需額外的過程。這種方法最大限度地減少了粘附界面處的界面電阻，從而提高了傳感器器件的靈敏度和穩定性。因此，它有助于準確監測人體運動的變化，提高健康診斷和分析的精度。因此，通過簡單和綠色的策略制造具有良好拉伸性、自愈合性、自粘合性和優異傳感性能的柔性應變傳感器仍然是一個挑戰。

通過合理選擇原材料，精心設計水凝膠，使其具有多種功能特性，是當前研究的熱點。因此，合理選擇原料組合在制備多功能水凝膠中起著至關重要的作用，使其能夠獲得獨特的性能。

在導電水凝膠的廣泛研究和利用中，由生物質制備的水凝膠表現出良好的生物相容性和環境友好性，在柔性可穿戴設備中具有巨大的應用潛力。與傳統的導電水凝膠合成原料相比，生物質材料易于從自然環境中獲取，廣泛可用且易于降解，這不僅節省了材料成本，而且在一定程度上克服了環境問題。如今，具有良好生物相容性和豐富活性基團的天然多糖，如海藻酸鹽、殼聚糖、甲殼素、卡拉膠、海藻酸鈉、纖維素和環糊精，被廣泛應用于聚合物水凝膠中，以改善水凝膠的性能。其中，殼聚糖（CS）是唯一的堿性多糖，由甲殼素脫乙酰基反應衍生而來。這種天然聚合物分布廣泛，可以從各種來源獲得。CS鏈上豐富的活性基團（-NH2，-OH）賦予了其優異的生物功能，并通過氫鍵或靜電相互作用與各種親水分子相互作用，還與多種聚合物共價交聯，滿足了雙網絡結構的需要。眾所周知，聚丙烯酸廣泛用于制備雙網絡導電水凝膠。CS和聚丙烯酸結合形成雙聚合物網絡可以提高水凝膠的韌性和傳感性能。

柔性水凝膠應變傳感器在受到外部因素影響時，其傳感信號可能會中斷并失去穩定性，最終導致壽命縮短。為了解決這個問題，柔性水凝膠應變傳感器必須具有自愈能力。硼酸（BA）是一種反應性試劑，對親核試劑和含有豐富供電子基團（如羥基、氧或氮原子）的表面具有親和力。當連接到中心硼原子的兩個羥基與順式相鄰的二醇結合時，就會形成硼酸酯鍵。硼酸鹽鍵是一種動態可逆的化學鍵，能夠在受損區域附近連續經歷可逆的動態重排，以維持結構的可逆性。該功能展示了令人印象深刻的自愈能力，使其成為自愈水凝膠開發中的熱門選擇。據報道，硼酸與其他粘合成分的協同作用可以提高各種材料的附著力。Efhamisisi等人設計并制備了一種添加硼酸和單寧的粘合劑，發現單寧和硼酸的協同作用顯著提高了粘合劑的拉伸剪切強度。Liu等人利用植酸和硼酸的協同作用制備了一種對豬皮具有優異粘附性的水凝膠材料。葡萄糖固有的順式-o-二醇結構很容易與硼酸結合形成硼酸鹽鍵，從而增強水凝膠的自愈能力，延長由這種水凝膠制成的柔性應變傳感器的壽命。同時，含有大量羥基的聚合物能夠通過氫鍵與其他材料容易地結合，將葡萄糖和硼酸摻入水凝膠結構可以進一步提高水凝膠的粘附性能。因此，葡萄糖和硼酸的協同作用必須是提高水凝膠粘附性能的良好策略，這不僅賦予了水凝膠自愈能力，而且提高了自粘性。

本文亮點

1. 本工作采用簡單的一鍋聚合法，將硼酸（BA）和葡萄糖（Glu）同時摻入聚丙烯酸（PAA）和殼聚糖（CS）聚合物網絡中，制備了具有良好生物相容性、高拉伸性（1694%應變）、自粘性和自愈性的多功能導電水凝膠（PCGB）。

2. 由PCGB組件構建的水凝膠應變傳感器具有很好的傳感性能，包括高靈敏度（GF?=?5.7), 耐久性和穩定性（5000次循環）。

3. 水凝膠應變傳感器被應用于人體運動的檢測，對大規模運動和小規模活動都表現出準確的檢測行為。

圖文解析

圖1. PCGB水凝膠的制備過程和交聯結構的示意圖。

圖2. （a） PAA/CS水凝膠和PCGB水凝膠的FTIR圖像和區域放大圖像。（b） PCGB水凝膠的全XPS光譜和（c）PCCB水凝膠的C 1s XPS光譜。

圖3. PCGB水凝膠的機械性能。（a）PCGB水凝膠在拉伸、扭轉狀態下的照片和（b）保持500克重量的照片。（c） PCGB水凝膠在不同n（CS）/n（AA）比和（d）相應斷裂伸長率和應力下的拉伸應力-應變曲線。（e） 不同硼酸添加量的PCGB水凝膠的拉伸應力-應變曲線和（f）相應的斷裂伸長率和應力。（g） 在200%應變下對PCGB水凝膠進行10次循環加載-卸載拉伸試驗。（h） PCGB水凝膠在10%～600%應變下的循環拉伸應力-應變曲線。（i） PCGB水凝膠在50%應變下連續200個循環。

圖4. （a） PCGB水凝膠粘附在各種基材表面的照片。（b） PCGB水凝膠與皮膚粘附前后的照片（c）搭接剪切試驗示意圖。（d） PAA/CS-BA水凝膠對木材、玻璃、鋼、銅和豬皮的粘附強度。（e） PCGB水凝膠對木材、玻璃、鋼、銅和豬皮的粘附強度。

圖5. （a） PCGB水凝膠自愈拉伸行為的宏觀照片。（b） PCGB水凝膠的機械自愈性能。（c） 不同愈合時間的PCGB水凝膠的機械自愈效率。（d） PCGB水凝膠作為導體的自愈行為照片。

圖6. （a） HUVEC細胞的細胞活力。（b） HUVEC細胞的免疫熒光成像。

圖7. （a） PCGB水凝膠在不同伸長率（0、50、100、200 R%）下led的亮度變化。（b） 水凝膠應變傳感器的響應和恢復時間。應變傳感器在（c）小應變（10-50%）和（d）大應變（100-500%）下的相對電阻變化。（e）應變傳感器在各種拉伸應變下的相對阻力變化和GF。（f） 應變傳感器對5000個循環應變的相對電阻響應（60%）。

圖8. 應變傳感器檢測（a）手指以不同角度彎曲、（b）手指彎曲、（c）手腕彎曲和（d）肘部彎曲期間的相對電阻響應。應變傳感器在（e）行走、（f）跑步和（g）頸部運動時的相對阻力響應。（h）呼吸過程中應變傳感器的相對電阻響應，（i）揚起眉毛。

圖9. （a） 字母由相應的莫爾斯電碼符號表示。（b） （c）（d）水凝膠傳感器通過莫爾斯電碼進行通信。

審核編輯 黃宇