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江南大學陳明清/施冬健課題組 ACS AMI：類皮膚組織應變硬化能力的圖案化水凝膠用于應變傳感器

2023-10-15 來源：高分子科技

近年來，人們一直致力于探索導電柔性材料的新興應用，如電子皮膚、人機界面、軟機器人和可穿戴監測設備等領域。值得注意的是，尤其對于表皮生物電子設備而言，電極和生物組織之間的界面要經常遭受動態變形。然而，目前柔性材料的固有缺陷（如低拉伸性、高剛度和高滯后）使得其在生物組織-材料界面處產生嚴重的機械失配，從而對生物電子器件的監測靈敏度產生不利影響。

許多柔性傳感裝置要求軟材料易變形（低楊氏模量）和抗斷裂（高強度）。柔性材料具有的低楊氏模量可以最大限度地減少與目標組織的機械失配，而高強度的材料可以有效防止大形變對器件的損傷以及材料的耐久性。通常情況下，低楊氏模量和高強度往往是材料設計中相互矛盾的要求。然而，皮膚具有應變硬化力學行為使皮膚具有非同尋常的力學性能組合（兼具低的楊氏模量和高的力學強度），這歸因于皮膚的分級結構，即由抵抗變形的剛性膠原纖維和確保彈性后坐力的交織彈性蛋白纖維組成。因此，通過模擬生物組織的分級結構，在材料中分別構筑具有顯著模量差異的柔性區域和剛性區域是賦予材料應變硬化力學特性的一種有效策略。鑒于此，江南大學陳明清/施冬健教授課題組通過在軟水凝膠（PAAm）內圖案化具有導電性的剛性區域(PAAc)，制備了一種兼具有應變硬化力學性能和導電性的水凝膠。其中，柔性域由兩個互穿聚合物網絡（PAAm/PAAm）組成，剛性域由三個互穿聚合物網絡（PAAm/PAAc/PAAm）組成（圖1）。具有多級結構水凝膠中的柔性域和剛性域分別模擬軟彈性纖維和剛性膠原纖維的作用，在外力作用下產生順序的力學響應從而實現應變硬化力學特性。此外，通過有限元模擬分析表明，柔性域和剛性域中的應力分布可以通過改變圖案的排列方式來轉換，從而有效提高圖案化水凝膠的力學性能，制備得到的水凝膠強度可以達到1.20MPa，同時保持低的楊氏模量31.0kPa。此外，將聚電解質水凝膠聚丙烯酸（PAAc）圓形陣列引入聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠中，在保證導電性的同時也提高了水凝膠的傳感靈敏度。與均相導電水凝膠相比，圖案化水凝膠的電阻變化主要來自每個導電區域的變形。因此，每個圖案結構域的電阻變化可以放大整體水凝膠中電阻變化，從而使得其高的傳感靈敏度，在應變為100%時應變系數（GF）為1.75。

圖1.圖案化水凝膠的示意圖合成過程和結構

圖2.圖案化水凝膠的力學性能

圖3.（a）圖案化水凝膠中剛性陣列在0-400%應變下變形的圖像；（b）在50%應變下具有不同剛性域排列的圖案水凝膠其內部應力分布的有限元模擬結果；（c）通過有限元模擬拉伸過程中水凝膠內部各個區域所承受的應力數值。（d）支撐層、柔性域和剛性域相應的拉伸強度和楊氏模量

圖4.基于圖案的水凝膠傳感器的傳感性能

該研究工作最近以“Skin-Inspired Patterned Hydrogel with Strain-Stiffening Capability for Strain Sensors”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。論文第一作者為江南大學化學與材料工程學院博士生崔建兵，通訊作者為江南大學陳明清教授和施冬健教授。該工作得到國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12127

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（責任編輯：xu）

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