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  導(dǎo)電水凝膠兼具良好的電學(xué)性質(zhì)，可拉伸彎折的機械性能，以及與人體相似的組織結(jié)構(gòu)，因此可以模擬人體肌肉和皮膚的變化，在柔性可穿戴和可植入電子器件方面顯示出巨大前景。然而，目前常用的導(dǎo)電高分子材料如聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩等通常硬而脆，如何設(shè)計出具有高電導(dǎo)率和自修復(fù)能力的柔性導(dǎo)電水凝膠以提高其功能性和使用壽命成為近年來導(dǎo)電水凝膠的研究熱點。基于水凝膠多孔的結(jié)構(gòu)特點，制備互穿型水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以簡單方便地集成多種功能性以及構(gòu)建協(xié)同效應(yīng)，從而構(gòu)筑具有理想電學(xué)和機械性能的水凝膠傳感器。

  最近，加拿大阿爾伯塔大學(xué)Hongbo Zeng（曾宏波）教授課題組報道了一種具有高電導(dǎo)率，可塑性和快速修復(fù)能力的水凝膠應(yīng)變傳感器。首先，將氫鍵基團作為交聯(lián)點與苯乙烯磺酸鈉聚合形成第一個柔性水凝膠網(wǎng)絡(luò)（PSS-UPy），接著原位引發(fā)苯胺的聚合形成第二個剛性的導(dǎo)電聚苯胺網(wǎng)絡(luò)（PANI），兩個網(wǎng)絡(luò)通過靜電作用緊密結(jié)合，同時UPy 基團間可逆的氫鍵作用使凝膠表現(xiàn)出溫度敏感性和自修復(fù)性能 （圖1）。

圖1. PANI/PSS-UPy 水凝膠合成相互作用及示意圖。

  當(dāng)苯胺含量為0.3 M時，該水凝膠的電導(dǎo)率可高達13 S/m 并可以被反復(fù)拉伸6倍以上，尤其是在被外力破壞后表現(xiàn)出快速的自修復(fù)性能。當(dāng)材料被切開后，僅需接觸30 s 就可以被再次拉伸而不斷裂（圖2）。因為氫鍵在高溫下可被破壞從而使凝膠變軟，制備的導(dǎo)電水凝膠具有可塑性，在50 度下可以輕松從針頭中擠出，構(gòu)建不同的形狀和結(jié)構(gòu)。

圖2. PANI/PSS-UPy水凝膠的拉伸和自修復(fù)性能。

  該導(dǎo)電水凝膠在0%-300%的拉伸應(yīng)變下靈敏度穩(wěn)定在3.4，其應(yīng)變傳感特性被成功用于監(jiān)測人體的各種大幅度活動和細微的生理信號，比如手指和手腕的彎曲，吞咽動作，聲帶的振動，以及脈搏跳動的幅度和頻率（圖3）。其獨特的高電導(dǎo)率和快速自修復(fù)性能為導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計提供了新思路。

圖3. PANI/PSS-UPy水凝膠應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測（a）手指彎曲（b）手腕彎曲 （c）吞咽 （d）聲帶振動 （e）脈搏跳動。

  這一成果近期以“Stretchable, Injectable and Self-Healing Conductive Hydrogel Enabled by Multiple Hydrogen Bonding toward Wearable Electronic” 為題發(fā)表在 Chemistry of Materials 上， 文章的第一作者是博士生陳靜思，通訊作者為曾宏波教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b01239