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西工大黃維院士團(tuán)隊(duì)李鵬教授、王騰蛟副教授 AFM:應(yīng)用于多模態(tài)監(jiān)測(cè)和緊急預(yù)警系統(tǒng)的親膚性自增強(qiáng)水凝膠基柔性電子器件
2023-04-25  來源:高分子科技

  在柔性電子器件領(lǐng)域,水凝膠材料因天然的類組織特性和多功能性而具有極大的應(yīng)用潛力。然而,機(jī)械強(qiáng)度不足和抗疲勞性差的傳統(tǒng)水凝膠在受到長(zhǎng)周期、多頻率的應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生破損或失去穩(wěn)定性,這限制了該材料長(zhǎng)期應(yīng)用的可能。在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景如智能健康醫(yī)療、人機(jī)交互設(shè)備中,迫切需要開發(fā)一種可以在使用中增強(qiáng)的親膚性高強(qiáng)度水凝膠,滿足可穿戴健康電子器件長(zhǎng)期穩(wěn)定使用的需求。


  近日,西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士團(tuán)隊(duì)李鵬教授、王騰蛟副教授借鑒高分子材料自增強(qiáng)的概念,開發(fā)了一種具有良好生物相容性的自增強(qiáng)水凝膠,實(shí)現(xiàn)柔性電子材料越用越強(qiáng)目的。


  該水凝膠通過三重犧牲交聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能的大幅度增強(qiáng):其中納米凝膠充當(dāng)強(qiáng)犧牲交聯(lián)(用納米凝膠形變來犧牲應(yīng)力對(duì)化學(xué)交聯(lián)的破壞),可逆離子相互作用充當(dāng)弱犧牲交聯(lián)(利用弱靜電鍵斷裂來犧牲應(yīng)力對(duì)化學(xué)交聯(lián)的破壞),聚合物鏈糾纏作用充當(dāng)物理犧牲交聯(lián)(利用破壞范德華力來犧牲應(yīng)力對(duì)化學(xué)交聯(lián)的破壞)(圖1)。該兩步法制備的水凝膠具有1900%的高拉伸率,在1000次壓縮循環(huán)測(cè)試中,殘余應(yīng)變低于10%以及初始應(yīng)力保持高于95%,并具備抗刺戳特性(圖2)。 


圖1. 三重犧牲結(jié)構(gòu)水凝膠的制備流程以及示意圖 


圖2. 水凝膠配方調(diào)控以及相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試圖


  該工作中所制備的水凝膠具有人體汗液誘導(dǎo)自增強(qiáng)效果,通過仿生汗液反復(fù)浸泡,水凝膠內(nèi)部離子濃度逐步降低引發(fā)分子鏈結(jié)構(gòu)內(nèi)部靜電相互作用逐步增強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)水凝膠自增強(qiáng)。同時(shí),在水凝膠制備過程中已經(jīng)證明了凝膠內(nèi)部?jī)?yōu)先生成了大量納米凝膠交聯(lián)劑,這種納米凝膠在抗凝膠撕裂過程中起到分散應(yīng)力集中現(xiàn)象作用,使得水凝膠增強(qiáng)能力得到進(jìn)一步提高(經(jīng)過6次循環(huán)處理后拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)了近500 kPa,楊氏模量增加了4倍)(圖3)。 


圖3. 水凝膠自增強(qiáng)機(jī)制研究


  考慮到可穿戴柔性健康電子器件直接與皮膚接觸的需求,進(jìn)行了粘附性測(cè)試以及相關(guān)皮膚組織相容性測(cè)試。驗(yàn)證了其粘附性滿足可穿戴健康電子器件的應(yīng)用需求,同時(shí)良好的皮膚組織相容性也滿足在人體體表直接貼敷使用目的。此外,課題組將水凝膠制備成用于傳感及心電、肌電等生理電信號(hào)采集功能的柔性電子器件(圖4),并將柔性電子器件集成為一套用于急性心肌梗死場(chǎng)景的緊急預(yù)警系統(tǒng),有望實(shí)現(xiàn)水凝膠基柔性電子器件的應(yīng)用實(shí)踐及產(chǎn)業(yè)化推廣。

 

圖4. 自增強(qiáng)水凝膠基柔性電子器件在傳感及生理電信號(hào)采集中的應(yīng)用


  該工作以“Self-Reinforced Hydrogel-Based Skin-Contactable Flexible Electronics for Multimodal Electrophysiological Signal Monitoring and Emergency Alarming System”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士,李鵬教授和王騰蛟副教授為論文的通訊作者,西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院碩士研究生劉榮珺為第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214917

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