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山東大學(xué)譚業(yè)邦教授團(tuán)隊(duì) CEJ：金字塔結(jié)構(gòu)與超分子相互作用協(xié)同構(gòu)筑的雙層水凝膠 - 用于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)傳感器和人機(jī)界面
2023-06-03  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，為了滿足隨著人機(jī)交互領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展所帶來(lái)的產(chǎn)品需求，用于代替一體化水凝膠的雙層水凝膠應(yīng)運(yùn)而來(lái)。然而，通過(guò)一般方法構(gòu)筑的雙層水凝膠的界面穩(wěn)定性和安全粘附能力受到了極大的挑戰(zhàn)，不足以滿足復(fù)雜環(huán)境中的信號(hào)接收和傳輸需求。


  近日，受具有良好動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性的超分子相互作用與廣泛用于壓力傳感器的金字塔結(jié)構(gòu)啟發(fā)，山東大學(xué)譚業(yè)邦等人在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上（Journal of Materials Chemistry C 2022, 10 (20),8077-8088.  Carbohydrate Polymers 2022, 295,119890.）合理調(diào)控水凝膠的設(shè)計(jì)模型和構(gòu)筑因子，通過(guò)層層聚合策略制備了具有穩(wěn)固接觸界面和綜合性能的雙層水凝膠以應(yīng)對(duì)相關(guān)缺陷。十二烷基硫酸鈉膠束和甲基丙烯酸十四酯之間的疏水締合作用賦予了含有金字塔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層水凝膠良好的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和非粘附性能。丙烯；J[7]脲和大量氫鍵賦予了粘附層水凝膠優(yōu)秀的安全粘附能力。在兩層凝膠間形成的金字塔類榫卯結(jié)構(gòu)的協(xié)同下，氫鍵和主客體作用前所未有地穩(wěn)定了雙層水凝膠界面處的接觸能力，極大地提高了雙層水凝膠在運(yùn)動(dòng)傳感、人機(jī)交互領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。 


 圖片摘要


圖1. (a) AxCy雙層水凝膠制備示意圖；(b)水凝膠中的聚合物網(wǎng)絡(luò)示意圖；(c)雙層水凝膠界面處的主-客體相互作用和導(dǎo)電層水凝膠中的疏水相互作用。

 

圖2. 雙層水凝膠的示意圖及力學(xué)性質(zhì)。


  金字塔結(jié)構(gòu)大大提高了雙層水凝膠接觸界面處的穩(wěn)定性，兩層凝膠間的界面粘附能是平面結(jié)構(gòu)的15.6倍。 


圖3. 雙層水凝膠的粘附機(jī)理及粘附表現(xiàn)。


  揭示了葫蘆[7]脲對(duì)粘附層水凝膠的增粘機(jī)理：可聚合且空腔不被占據(jù)的葫蘆[7]脲可以提高水凝膠的粘附能力。基于葫蘆[7]脲的粘附層水凝膠對(duì)各種基底具有良好的粘附能力。 


圖4. 粘附層水凝膠的生物相容性。


  通過(guò)三種細(xì)胞的毒性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了粘附層水凝膠的生物相容性，以用于安全的人機(jī)界面。 


圖5. 雙層水凝膠用于人體運(yùn)動(dòng)感知。


  此種雙層水凝膠同時(shí)具備橫向、縱向?qū)щ姷哪芰，可以橫向應(yīng)用于應(yīng)變傳感器；縱向應(yīng)用于凝膠電極以監(jiān)測(cè)生理信號(hào)。 


圖6. 雙層水凝膠用于監(jiān)測(cè)生理信號(hào)。


  相關(guān)成果以“Pyramid structure-inspired biocompatible bilayer hydrogel based on supramolecular interactions for stable human-machine interface”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2023.143354）上。山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生王程昱為本論文的第一作者，通訊作者為山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院譚業(yè)邦教授。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（21374045）的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143354

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