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江南大學陳明清/施冬健課題組 CEJ：適用于水環境下生理信號監測的可拉伸、自粘附疏水共晶凝膠

2023-09-03 來源：高分子科技

近年來，柔性導電凝膠在人體生命體征（例如呼吸頻率、心率和體、葡萄糖、乳酸和血氧指數等）持續監測、仿生皮膚和人機交互等領域受到了廣泛的關注。盡管導電凝膠目前得到了廣泛的研究，但其在復雜水環境下的耐久度仍然面臨巨大挑戰。其原因在于導電凝膠在水中的不良膨脹以及其中電解質在水中的擴散造成的力學性能和電學性能衰減。這也極大地限制了其在水環境中實現進一步的應用。因此，設計具有優異水下穩定力學性能、電性能的導電凝膠對水下柔性器件的開發至關重要。

基于此，江南大學的陳明清和施冬健研究團隊采用多層級動態相互作用方法開發出具有優異水下穩定力學性能及電學性能的強環境適應性導電凝膠（HEG），以用于開發可穿戴應變傳感器以及心電圖監測電極。（圖1）該導電凝膠由丙烯酸六氟丁酯（HFBA）、丙烯酸異冰片酯（IBOA）以及疏水低共熔溶劑（DES）制備所得。其中研究人員首先制備出由四丁基四氟硼酸銨(N₄₄₄₄BF₄)與三氟乙酰胺(TFA)組成的新型含氟疏水低共熔溶劑(DES)，隨后所制得共晶凝膠展現出高透明度（>93%）、高拉伸性（1780%），強水下自粘性（500 kPa）、不同環境強穩定性（空氣30-90 RH%和10-50^oC，水下 pH 1-14、0.1M NaCl）、高傳感靈敏度和優異的生物相容性（>95%）。共晶凝膠可進一步集成到應變傳感或心電圖傳感系統中，有望作為一種高效耐用的可穿戴心電設備，用于實時監測水下運動員的身體狀態。

圖1 HEG的制備及水下運動、心電圖應用

圖2 HEG的力學性能及其中相互作用力

研究人員通過調整單體HFBA與IBOA間比例以及電解質含量，能夠實現共晶凝膠力學性能的可控調節。此外，研究人員使用溫度微擾二維紅外光譜，核磁共振譜（19F NMR）等探明了HEG中存在的相互作用力，發現其中存在大量的偶極-離子相互作用力以及氫鍵相互作用力。（圖2）

圖3 HEG的環境耐受性以及水下粘附性能

如圖3所示，通過選用疏水聚合物網絡與疏水電解質的組合，HEG凝膠在不同pH值溶液以及鹽溶液中展現出優異的穩定性。除此以外，凝膠表面豐富的官能團，不僅為HEG凝膠提供破除基材表面水合層的能力，而且賦予其強且穩定的水下粘附性能。

圖4 HEG用于運動傳感器監測不同關節運動

圖5 水下ECG及運動監測

該研究工作最近以“Stretchable and hydrophobic eutectogel for underwater human health monitoring based on hierarchical dynamic interactions”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是江南大學化學與材料工程學院博士研究生杜德焰，通訊作者為江南大學化學與材料工程學院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等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145704

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（責任編輯：xu）

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