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  柔性可穿戴電子產品在儲能器件、人體健康監(jiān)測、摩擦納米發(fā)電機（TENG）等方面具有廣闊的應用前景。電子器件的蓬勃發(fā)展促使我們開發(fā)具有優(yōu)異的拉伸性能、高靈敏度和良好的生物相容性的導電材料。可拉伸導電水凝膠作為一類擁有良好柔韌性、生物相容性和可拉伸性的典型“軟濕”材料，在柔性電子器件領域展現出廣闊的應用前景。然而，常規(guī)水凝膠的機械強度通常較差，在實際應用中傳統(tǒng)水凝膠的網絡結構不可避免地在外力作用下而遭到破壞，這嚴重影響了水凝膠器件的使用壽命。

  近年來，湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院許建雄教授課題組圍繞水凝膠增強增韌、功能化的基本理論以及在柔性可穿戴設備中的應用開展相關研究。最近，課題組首次將近紅外光響應的光熱轉換試劑Sb₂S₃引入到水凝膠中并賦予其優(yōu)異的光致自修復性能。作者在PVA/pHEAA雙網絡凝膠體系中加入作為交聯劑和導電填料的Sb₂S₃@PPy-DA，構建了近紅外光誘導快速自修復導電水凝膠，并將其組裝成應變傳感器用于肢體運動傳感和生物電極用于人類心率監(jiān)測，進一步構建出自供電傳感設備用于人體活動探測和識別書寫信號。論文第一作者為湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院許利劍教授，通訊作者為湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院許建雄教授和余茂林博士，研究成果發(fā)表在中科院一區(qū)TOP期刊Nano Energy上。

圖1 SPOH水凝膠的制備和應用示意圖

圖2 SPOH水凝膠的自修復性能

  由于光熱試劑Sb₂S₃在近紅外光的激發(fā)下會產生局部高溫，促進水凝膠中斷裂的分子鏈重組。研究表明，在2 W/cm²的近紅外光照射90秒后，水凝膠的溫度可以從20.4 °C顯著升高升至77.4 °C，而且斷裂胡水凝膠能夠快速的自愈合，并且其力學性能恢復至斷裂前胡100%。而經水處理12小時后的力學性能僅能回復至原來的10.4%，說明了光熱轉換試劑的引入能夠有效促進水凝膠的自修復過程，為實現水凝膠的可重復利用，延長材料的使用壽命奠定了良好基礎。

圖3 （a）SPOH應變傳感器的動態(tài)拉伸靈敏度；（b）實時監(jiān)測SPOH 應變傳感器在（c）小應變（10%-80%）和（c）大應變（100-500%）范圍內的相對電阻變化率；基于SPOH傳感器對關節(jié)運動響應的相對電阻值變化：（d）肘關節(jié)；（e）手腕；（f）膝關節(jié)；（g）具有無線監(jiān)測功能的SPOH傳感器連接的（g）實物圖及（h）示意圖；（d）SPOH傳感器被用于活動能力受限的患者的監(jiān)護器示意圖。

  SPOH傳感器具有較高的靈敏度，可以貼在各種關節(jié)部位實現實時監(jiān)測。進一步，我們將SPOH傳感器、帶藍牙模塊的數字萬用表和手機組成一套檢測系統(tǒng)（圖3）�？纱┐魅嵝詡鞲衅魍ㄟ^數字萬用表收集和處理人體活動信息，采用手機應用程序可以實時監(jiān)測電阻的變化。將可穿戴傳感器穿戴在食指上，當食指正常伸直時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，當手指彎曲時，電阻變化信號會急劇增加，若彎曲導致超過了設置閾值，手機應用程序將會啟動報警提醒。這套檢測系統(tǒng)有望給活動能力受限患者的康復治療帶來新希望。

圖4（a）SPOH生物電極的監(jiān)測照片；（b）SPOH生物電極和（c）商業(yè)銀/氯化銀電極的樣品圖；SPOH生物電極的（d，e）初始和（f，g）自修復后以及在（d，f）靜止和（e，g）運動狀態(tài)的心電圖。插圖：相應的放大圖。

  心電圖可以為病人的病情診斷和康復提供重要的信息，目前臨床上廣泛采用金屬電極進行實時監(jiān)測。然而，堅硬的金屬電極材料靈活性較差，無法完全貼合柔軟的人體皮膚，在監(jiān)測過程中由于與皮膚的接觸摩擦會引起皮膚不適。水凝膠電極在繼承金屬的良好導電性的同時，還具備一定的柔軟性，舒適度更高。基于此，我們將抗凍保濕性較好的水凝膠SPOH作為電極貼在手腕上，用于檢測實時心電圖，并且自修復后的水凝膠電極幾乎和初始狀態(tài)的心電圖一致，展現出水凝膠電極良好的再現性（圖4），與金屬電極相比，水凝膠電極監(jiān)測完后不會引起皮膚過敏等不良反應，有望為新一代電子健康監(jiān)測產品的開發(fā)提供新思路。

圖6 不同拉伸狀態(tài)產生的輸出電壓和身體運動監(jiān)測的SPOH自供電傳感器。（a）屈腕；（b）屈腿；（c）屈指；（d）指尖按壓；（e）不同頻率下的按壓；(f)識別書寫文字。

  摩擦納米發(fā)電機（TENG）通過接觸起電和靜電感應的耦合將外界機械能轉化為電能的新興技術。目前，絕大部分TENG電極為剛性的金屬材料，這會導致電極在遭受破壞后無法恢復，影響器件的電輸出性能。針對以上問題，將具有自修復功能的柔性導電水凝膠作為TENG電極被認為是一種有前途的解決方法。將水凝膠SPOH用硅橡膠包覆，制備了一種自供電傳感器。測試結果顯示，該TENG能夠產生較好的電輸出性能（圖5），并且實現了對各種人體活動的探測和書寫信號的識別（圖6），在可穿戴自供電人體運動監(jiān)測和高精度筆畫識別方面展現出巨大的應用潛力。

  論文信息：Lijian Xu, Yin Chen, Maolin Yu*, Mengjuan Hou, Guo Gong, Haihu Tan, Na Li, Jianxiong Xu*, NIR light-induced rapid self-healing hydrogel toward multifunctional applications in sensing, Nano Energy 2023, 107, 108119.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108119.

作者簡介：

許建雄，教授，博士（后），湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院副院長，博士生導師。入選湖南省121創(chuàng)新人才、湖南省青年骨干教師、株洲市青年托舉人才、湖南工業(yè)大學“精英人才”。主持國家自然科學基金面上項目及青年項目2項，中國博士后科學基金2項，湖南省自然科學基金，湖南省教育廳重點項目等省級科研項目6項，企業(yè)橫向課題2項。累計發(fā)表SCI源刊論文64篇，被他引920余次，單篇通訊作者論文最高他引達84次，H-index為18。近年來，圍繞功能性水凝膠的制備及其在柔性可穿戴傳感器中的應用開展研究，取得了一系列具有研究特色和創(chuàng)新性的研究成果。近5年在Nano Energy、Journal of Hazardous Materials、Materials Chemistry Frontiers、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry C、Gels等化學和材料領域知名期刊上發(fā)表第一或通訊作者論文29篇（其中IF > 5.0 的論文15篇，ESI高被引論文2篇），獲國家授權發(fā)明專利5項，湖南省自然科學三等獎（排名第一），中國包裝聯合會行業(yè)科技進步技術二等獎（排名第二）。