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  離子傳輸是生物體內(nèi)廣泛存在的現(xiàn)象，對生理活動如肌肉收縮及神經(jīng)刺激信號傳導(dǎo)有著至關(guān)重要的作用。受生物系統(tǒng)中離子傳輸?shù)膯l(fā)，基于軟離子導(dǎo)體的離子電子傳感器因其仿生傳感能力而得到廣泛開發(fā)，擴(kuò)展了下一代類皮膚傳感器的選擇。最近，各種具有機(jī)械順應(yīng)性和導(dǎo)電性的離子導(dǎo)體，如水凝膠、離子凝膠和離子彈性體，已被開發(fā)用于離子電子傳感器。其中，含有可移動離子的水凝膠因其固有的透明性、可拉伸性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是用于制備離子電子傳感器理想材料。然而，水凝膠較差的力學(xué)性能和黏附性嚴(yán)重限制了其在可穿戴離子電子傳感器中的應(yīng)用。通過簡單有效的策略設(shè)計同時具有高拉伸性、高導(dǎo)電性和自黏附的離子導(dǎo)電水凝膠一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和極大挑戰(zhàn)。

  燕山大學(xué)焦體峰教授課題組通過使用生物礦物質(zhì)鈣離子調(diào)節(jié)聚丙烯酰胺-羧甲基纖維素鈉（PAM-CMC）水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了一種集高強(qiáng)度、高拉伸性和自黏附性于一體的新型透明和高離子導(dǎo)電水凝膠。所得水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，如高拉伸強(qiáng)度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%)和保形柔軟度(彈性模量13.55 kPa)。同時，該水凝膠還有具有高電導(dǎo)率（1.4 S·m^-1）和很強(qiáng)的粘附性。這些優(yōu)異的性能使得基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，具有快速響應(yīng)和出色的穩(wěn)定性，可用來檢測人體運(yùn)動、生理信號和復(fù)雜的手勢語言。該研究成果以Biomineral calcium-ion-mediated conductive hydrogels with high stretchability and self-adhesiveness for sensitive iontronic sensors為題在線發(fā)表于Cell出版社期刊Cell Reports Physical Science。

  作者通過利用Ca²⁺調(diào)節(jié)鏈間相互作用和形成金屬螯合鍵，大大提高了(PAM-CMC)/Ca水凝膠的機(jī)械性能。所獲得的（PAM-CMC）/Ca 水凝膠具有廣泛的優(yōu)異機(jī)械性能，例如高拉伸性和強(qiáng)度以及強(qiáng)大的彈性。同時，Ca²⁺的存在有效調(diào)節(jié)了水凝膠內(nèi)聚力和界面作用，賦予其強(qiáng)的自粘性和高導(dǎo)電性。這種水凝膠集多種功能于一身。

圖1. 離子導(dǎo)電水凝膠的制備及性能

  這些優(yōu)異的性能使基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，具有快速響應(yīng)和出色穩(wěn)定性.此外，水凝膠與不同基質(zhì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘附性，這使其有望以高穩(wěn)定性檢測人體運(yùn)動、生理信號和復(fù)雜的手勢語言。我們預(yù)計這些水凝膠可用作離子電子傳感器，在先進(jìn)的傳感設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

圖2. 基于離子導(dǎo)電水凝膠的傳感應(yīng)用

  該研究通過使用生物礦物質(zhì)鈣離子調(diào)節(jié)水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了具有高拉伸強(qiáng)度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%) 和保形柔軟度(彈性模量 13.55 kPa)、高電導(dǎo)率（1.4 S·m^-1）以及自粘附性的多功能水凝膠，基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，有望在先進(jìn)的傳感設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

  文章的第一作者為燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院已畢業(yè)的碩士柏佳慧，通訊作者為燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院的焦體峰教授和青年教師秦志輝。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100623