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安徽理工大學(xué)張曉勇團隊 JMCA：原位動態(tài)相互作用的仿貽貝堅韌自粘水凝膠用于開發(fā)智能傳感器件

2025-01-11 來源：高分子科技

近年來，導(dǎo)電水凝膠作為一種新興材料，展示了其在復(fù)雜操控和多種傳感應(yīng)用中的巨大潛力。隨著智能醫(yī)療與可穿戴技術(shù)的普及，研發(fā)集成機械韌性、高效自愈合性和高粘附力的導(dǎo)電水凝膠材料，成為當(dāng)前科研領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。盡管目前已開發(fā)出多種導(dǎo)電水凝膠材料，但由于其機械性能和粘附力的局限性，很多時候無法滿足智能傳感器件在使用過程的高要求，例如，導(dǎo)電水凝膠材料在皮膚上的粘附強度以及自愈合能力尚未達(dá)到理想水平，限制了它們在動態(tài)身體運動監(jiān)測和智能設(shè)備中的應(yīng)用。因此如何簡便且高效地制備出兼具多種優(yōu)異性能的水凝膠材料，仍然是該領(lǐng)域亟待解決的難題。

圖1 PVA-DBA水凝膠的制備方法和結(jié)構(gòu)特點

近期，安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張曉勇課題組受貽貝粘附蛋白和Fe³⁺配位鍵的啟發(fā)，成功開發(fā)了一種具有卓越的粘附性能、彈性和自愈能力的新型貽貝粘附水凝膠（PVA-DBA）。這種水凝膠的關(guān)鍵特征之一是其獨特的鍵合機制，它結(jié)合了兒茶酚-羧基相互作用和Fe3⁺離子配位鍵，提高了其機械性能，同時縮短了凝膠時間。該組合物還賦予了多個官能團（-NH₂, -COOH, 兒茶酚），進一步提高了水凝膠的完整性和多功能性。重要的是，PVA-DBA水凝膠在先進的運動傳感器件中顯示出巨大的應(yīng)用潛力，其可提供敏感的微小變形檢測，如關(guān)節(jié)彎曲，快速響應(yīng)時間為400 ms。此外，它還顯示了作為運動訓(xùn)練計數(shù)器的前景，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測彎曲和伸展運動。這項工作促進了研究人員對聚合物分子鏈聚集狀態(tài)對水凝膠基柔性器件多場景應(yīng)用的理解，而且通過該技術(shù)的應(yīng)用，未來的可穿戴設(shè)備、智能機器人和電子傳感器等領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀泳珳?zhǔn)、靈活的功能性提升。該工作以“Mussel-inspired Strong and Tough Hydrogel with Self-adhesive based on Dynamic Interactions for Flexible Wearable Electronics”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。該研究工作得到了安徽省高等學(xué)校科學(xué)研究重點項目、安徽理工大學(xué)青年基金項目、安徽理工大學(xué)醫(yī)學(xué)專項H2項目、安徽理工大學(xué)引進人才科研啟動基金，安徽理工大學(xué)青年科技基金項目的支持。

圖2 PVA-DBA水凝膠的結(jié)構(gòu)和機械性能結(jié)構(gòu)表征

圖3 PVA-DBA水凝膠的粘接性能

圖4 PVA-DBA水凝膠的機械性能

圖5 PVA-DBA水凝膠的傳感性能和計數(shù)功能

該工作是張曉勇團隊近期關(guān)于水凝膠力學(xué)性能調(diào)控和提高傳感穩(wěn)定性&功能性相關(guān)研究的最近進展之一。此外，水凝膠機械性能的原位可調(diào)和多場景粘接調(diào)控一直是該團隊的重要方向研究之一。近幾年，該團隊目前已在Mater. Horiz. 2024. 11. 835-846, Chem. Eng. J. 2025, 503, 158603, Chem. Eng. J. 2024, 495, 153385, Chem. Eng. J. 2023, 468, 143734, ACS Appl. Mater. & Inter. 2024, 16, 62776–62787, ACS Appl. Mater. & Inter. 2023, 15, 50400–50412, ACS Appl. Mater. & Inter. 2022, 14, 30256-30267, J. Colloid Interf. Sci. 2021, 585, 420-432.等期刊上發(fā)表了相關(guān)研究論文。接下來，團隊將對水凝膠材料在柔性器件和智能功能實現(xiàn)上繼續(xù)更深入的探索和研究，歡迎關(guān)注。

全文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4TA08383K

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