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  基于粘性水凝膠設(shè)計(jì)的自供電電子皮膚，不僅消除了外部電源的限制，同時(shí)免于使用醫(yī)用膠帶，具有非侵入性且易于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景極為廣泛。然而在實(shí)際生活中流汗是不可避免的，尤其是在長時(shí)間監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)期間，容易在皮膚表面形成具有低剪切粘度的汗膜，這會(huì)破壞皮膚和水凝膠電極之間的粘合作用，導(dǎo)致電極從皮膚上脫落和信號(hào)的失真?zhèn)鬏�。因此，將汗液這一可感知的本征缺陷轉(zhuǎn)化為其獨(dú)一無二的優(yōu)勢極具挑戰(zhàn)，且探索汗液的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化利用對(duì)于粘附水凝膠在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要意義。

圖1 汗液-pH觸發(fā)高粘性水凝膠的設(shè)計(jì)

  近期，中國林科院林化所劉鶴研究員、王丹研究員和南京林業(yè)大學(xué)徐徐教授開發(fā)了一種聚合物水凝膠電極的設(shè)計(jì)策略，利用汗液的pH值變化促進(jìn)質(zhì)子化的產(chǎn)生和水凝膠氫鍵網(wǎng)絡(luò)的解耦，以釋放更多游離且活性的親水基團(tuán)，達(dá)到增強(qiáng)水凝膠粘附性的目的。本研究基于常見丙烯酸單體和生物質(zhì)資源納米纖維素制備了具有緊密氫鍵網(wǎng)絡(luò)的納米纖維素/聚丙烯酸水凝膠(CNF/PAA)。在流汗過程中產(chǎn)生的過量水合氫離子可以破壞固有的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于向質(zhì)子化轉(zhuǎn)變并調(diào)節(jié)活性基團(tuán) (羥基和羧基)的釋放。汗液pH值的下降可以促進(jìn)質(zhì)子化的形成，賦予CNF/PAA水凝膠優(yōu)異的粘附性能。在pH為7.5時(shí)(對(duì)應(yīng)未運(yùn)動(dòng)狀態(tài))，水凝膠與皮膚間的界面韌性達(dá)46.74 J m^?2，剪切強(qiáng)度達(dá)69.71 kPa，拉伸粘附強(qiáng)度達(dá)53.67 kPa；而在pH為4.5時(shí)(對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)出汗?fàn)顟B(tài))，水凝膠與皮膚間的界面韌性達(dá)453.47 J m^?2，較原始狀態(tài)提升了9.7倍，剪切強(qiáng)度達(dá)600.14 kPa，提升了8.6倍，拉伸粘附強(qiáng)度556.44 kPa，提升了10.4倍。將CNF/PAA水凝膠作為電極組裝為自供電電子皮膚(e-skin)，即使在出汗皮膚上其仍然保持良好的界面粘合性，并且處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下仍穩(wěn)定可靠地收集運(yùn)動(dòng)信號(hào)和生理信號(hào)，因此在醫(yī)療健康監(jiān)測和智能傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  本研究深入探討了不同條件下CNF/PAA水凝膠的粘附性能。研究發(fā)現(xiàn)CNF/PAA水凝膠可以牢固地粘附在人體關(guān)節(jié)和其他各種基材上，即使在運(yùn)動(dòng)時(shí)仍未表現(xiàn)出顯著的脫離跡象。通過90度剝離、拉伸搭接-剪切和拉伸剝離這三種測試方法進(jìn)一步定量評(píng)估了水凝膠的粘附性能，結(jié)果顯示隨著pH的降低(7.5–4.5)，CNF/PAA水凝膠表現(xiàn)出顯著提高的粘附性。與現(xiàn)有的粘附性水凝膠電極相比，該方法制備的水凝膠電極具有更堅(jiān)韌的可拉伸性、優(yōu)異的粘附性和穩(wěn)定的電輸出性。

圖2 汗液-pH觸發(fā)CNF/PAA水凝膠的粘附性能

圖3 可拆卸汗液-pH觸發(fā)自供電電子皮膚的設(shè)計(jì)

  原文：https://doi.org/10.1039/D3MH00174A