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港中深唐本忠院士/北理工黎朝 AM：基于AIE活性納米復合水凝膠的可穿戴交互式信息-傳感材料

2024-03-23 來源：高分子科技

可視化交互式電子應變可穿戴傳感器在人體活動監測和個人健康管理等領域具有應用前景。賦予傳感器發光功能是可視化的有效途徑，符號信息的引入能夠增強變化的可識別性。因此，可同時實現應變依賴的發光符號信息和電信號變化的可穿戴傳感器具有重要價值，其開發具有挑戰，協同復雜材料多組分實現多功能集成是關鍵。

圖1. 本工作開發的水凝膠基可穿戴交互式熒光信息-電子應變傳感器示意圖。

香港中文大學（深圳）唐本忠院士與北京理工大學黎朝副研究員團隊合作，提出凝膠單組分多任務策略，結合聚集誘導發光（AIE）和基于納米粘土的納米復合（NC）水凝膠，開發了可穿戴熒光信息-電子應變傳感器（圖1）。在該傳感器中，納米粘土扮演了“一石三鳥”的作用：①引入水溶性陽離子AIE化合物（AIEgen），通過靜電相互作用吸附于表面帶負電荷的納米粘土上，粘土的剛性有效束縛了AIEgen分子內運動，實現“點亮”型熒光；②納米粘土可電離Na⁺，賦予凝膠離子導電性和優異的應變傳感性能；③納米粘土還賦予凝膠優異的拉伸性能，在此基礎上引入微量化學交聯點于凝膠聚合物網絡中，使凝膠表現出出色的回彈性。還引入支鏈淀粉（AP）于凝膠網絡中，賦予了凝膠皮膚粘附性和優異的細胞相容性。

圖2. AIEgen、AIEgen/粘土和水凝膠體系的熒光行為研究。

設計合成的陽離子AIEgen（(Me₃N)₄-TPE⁴⁺）具有典型AIE行為（圖2b、c），并可與納米粘土（Laponite XLS）發生靜電相互作用實現“點亮”型熒光（圖2d – f），并可在NC水凝膠上實現高對比度熒光（熒光強度增加80倍）的引入（圖2g、h）。所開發的凝膠在AP含量2 wt%時，豬皮粘附強度為11.4 kPa（圖3a），還表現出對銅、橡膠和紙的粘附性（圖3b、c）；凝膠具有優異的細胞相容性（圖3d、e）；凝膠擁有優異的拉伸性能（斷裂應力：0.98 MPa，斷裂應變：1170%）（圖3f、g）、回彈性（彈性恢復率：97.8%）（圖3h、i）和抗疲勞性能（圖3j）；凝膠有良好的導電性（圖4a）和出色的應變傳感性能（應變系數（GF）可達10.9）（圖4c – f），可進行手指、手腕、手肘屈伸的監測（圖4g – i）。

圖3. 水凝膠粘附性、力學性能和生物相容性研究。

圖4. 水凝膠導電性和應變傳感性能研究。

高對比度和靈活的信息錄入，以及面向可穿戴場景，協同柔性材料形變實現信息變換，具有重要價值。研究人員以AIEgen水溶液作為“墨水”，借助激光雕刻制備的刻有符號圖案的柔性印章，將墨水印于凝膠上，可實現高對比度熒光符號信息的錄入（圖5a），將此過程命名為熒光轉移點亮（FTL）印刷，熒光轉移印刷可為信息的錄入提供更高的靈活性。符號信息，包括條碼和文字，由許多子圖形組成，它們的形狀、間距、排列等賦予了符號可識別的唯一性。柔性膜材料在拉伸狀態下面積增加，為新符號信息的錄入提供了空間，此時錄入的符號，在材料恢復時可收縮融合。在材料原始狀態下錄入第一重符號，在拉伸狀態下，在第一重符號子圖形區域錄入第二重符號，材料恢復后，第二重符號收縮融合成第一重符號的子圖形，再次拉伸下，即可實現信息的拓展和變換。以此策略，結合NC水凝膠和AIE活性墨水，進行嵌套信息（文字@二維碼）的錄入，實現了拉伸介導的信息變換（圖5b）。由于凝膠具有基于電信號的應變傳感功能，將其貼附于手肘，即可實現手肘屈伸介導的交互式熒光信息變換和電信號傳感（圖5c）。

圖5. 結合水凝膠、AIE活性墨水、FTL技術實現多重嵌套熒光信息的錄入(a)和拉伸介導的信息拓展和變換(b)，以及所開發的可穿戴傳感器實現手肘屈伸響應的交互式熒光信息-電信號變化。

研究人員還進一步將材料力學性能、熒光信息、和電信號隨拉伸的同步變化進行了定量化研究，展示了三者同步變化的組合曲線（圖6）。

該熒光信息-電子應變傳感器為多功能材料的構建提供了策略，為下一代交互式設備的開發提供了思路。該傳感器在可穿戴設備、人機界面、軟體機器人和人工智能領域具有潛在應用價值。

圖6. 所開發的傳感器的熒光信息/相對電阻變化-應變/拉伸應力-應變組合曲線。

文章以“From Fluorescence-Transfer-Lightening-Printing-Assisted Conductive Adhesive Nanocomposite Hydrogels toward Wearable Interactive Optical Information-Electronic Strain Sensors”為題，發表在Advanced Materials雜志上，香港中文大學（深圳）唐本忠院士和北京理工大學黎朝副研究員為共同通訊作者。

文章鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400085

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（責任編輯：xu）

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