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中科院蘭州化物所3D打印摩擦器件團隊《Small》:體溫觸發的結構化水凝膠傳感器
2025-01-10  來源:高分子科技

  具有pH、溫度、濕度等外部刺激響應性的智能水凝膠傳感器在醫學診斷、環境監測和可穿戴電子設備等領域有著廣泛應用。其中,在眾多智能水凝膠傳感器中,皮膚可貼附的熱響應性水凝膠因其獨特的響應性、生物相容性和形狀適應性引起了相當大的關注。然而,在眾多熱響應水凝膠傳感器中,很少有能根據體溫觸發來實現其光學及粘附性質的改變,這進一步限制了水凝膠傳感器在可穿戴器件領域的應用。為此,開發同時具有體溫響應、粘附適應性和透明度可調的可穿戴水凝膠結構器件至關重要。


  為了解決上述問題,中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員團隊提出了一種可貼附于皮膚的熱響應水凝膠,其可根據人體體溫的改變而具備了可調光學特性和可切換的粘附特性(圖1具體來說,研究人員通過在水凝膠網絡中引入溫敏單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)強氫鍵單體丙烯酸(AAc),構建了具有可調LCST的熱響應NAPA水凝膠,且該水凝膠的LCST是能夠接近人體的體溫環境(36~38℃),從而實現了水凝膠在人體體溫觸發下透明度和粘附性的轉變。此外,通過利光固化3D打印技術構建了可穿戴且高靈敏度的水凝膠傳感器陣列結構。作為概念驗證,貼附在手背面的可穿戴水凝膠傳感器能夠同時檢測溫度和應變的差異,并將高溫監測和報警功能與視覺透明度改變相結合。這項工作提供了一種制備結構化響應水凝膠的先進方法,在柔性電子皮膚、智能可穿戴設備和人機交互設備領域具有很好的應用前景


  相關研究工作目前以“Skin‐Mountable Thermo‐responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional Sensing”為題目發表在Small上,石河子大學聯培碩士研究生徐新強為論文第一作者,中國科學院蘭州化學物理研究所劉德勝青年研究員、煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室呂陽助理研究員、姬忠瑩副研究員為共同通訊作者。


皮膚可貼附熱響應水凝膠的設計制備和光固化3D打印制造


  基于此,詳細研究了AAc含量和溫度對NAPA水凝膠透明度的影響以及調控機。隨著AAc含量的升高,NAPA水凝膠的LCST隨之下降。其中,在AAc含量為6 wt %時,NAPALCST38℃,且能夠根據人體體溫發熱的溫度來實現透明度的轉變(圖2)。


2 NAPA 水凝膠的機械和光學特性表征


  圖3詳細展示了NAPA水凝膠在玻璃、塑料、金屬等各種基底上的粘附性能。此外,這種熱響應水凝膠的粘附性還受到溫度的影響,即在低溫時呈現出良好的粘附性,而在高溫時則呈現出低粘附性,并且這一特性具備很好的可逆性。


3 NAPA水凝膠可切換粘附性能的表征及機理


  圖4展示了NAPA水凝膠的電機械特性及其在不同條件下的響應行為實驗證明,該水凝膠在不同應變、拉伸速率和溫度下,電阻信號變化靈敏且穩定,表明其具備寬范圍應變檢測和穩定的溫度響應能力。此外,在連續和循環溫度變化中,其電阻信號也保持穩定,說明在可穿戴傳感器領域中有巨大的應用潛力。


4 NAPA水凝膠的機電特性和調節


  此外,利用光固化3D打印技術制備了手背式的水凝膠陣列傳感器,其能夠檢測不同的手勢狀態和溫度的信號。同時在NAPA水凝膠傳感器下安裝警報燈,其可根據光學特性變化能用于體溫過熱報警。此外NAPA水凝膠還可用于連續檢測在曲面結構表面的傳感性能,即可連續檢測氣球在不同膨脹(即從 0% 到 300%)和收縮(即從 300% 到 0%)程度下的傳感信號變化。這些結果表明所制造的NAPA柔性水凝膠傳感器在高溫報警、心率監測和多響應可穿戴傳感領域具有廣闊的應用前景


用于人體檢測的應變和溫度耦合響應傳感器的設計和應用演示


  該研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院“西部之光”交叉創新團隊項目、甘肅省科技計劃、中國科學院特別研究助理資助項目等項目的支持。


  文章信息:Xinqiang Xu, Yang Lyu*, Di Liu, Xinyan Shi, Zhongying Ji*, Desheng Liu*, Xin Jia, Xiaolong Wang. Skin-Mountable Thermo-responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional SensingSmall2024,2411808.

  全文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202411808


研究團隊簡介:

王曉龍,中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員,3D打印摩擦器件組組長,博士生導師。2007年博士畢業于蘭州大學,2010-2011香港理工大學研究助理;2012-2013加拿大西安大略大學訪問學者。山東省“泰山學者”特聘專家,石河子大學“綠洲學者”,“十四五”國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”重點專項首席科學家,中國機械工程學會增材制造分會委員,甘肅省材料學會理事,《摩擦學學報》等編委;曾獲2021IAAM Scientist Award,甘肅省專利獎一等獎1項(第一),甘肅省醫學科技獎一等獎1項(第二),甘肅省科技進步獎二等獎1項(第七)。研究領域包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦與潤滑等,在Nat. Commun.Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.Chem. Mater., Small等期刊發表論文150余篇、H因子45,主編英文專著1部,獲授權中國發明專利20余件、美國專利2件。

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(責任編輯:xu)
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