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齊魯工大于得海、劉溫霞 Carbohyd. Polym.：TEMPO細(xì)菌纖維素/MXene納米片水凝膠用于智能穿戴式人機(jī)交互
2023-12-08  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，水凝膠由于其良好的柔韌性、可穿戴性、生物相容性以及信息捕獲的高精確性，被認(rèn)為在智能可穿戴電子器件以及人機(jī)交互方面具有重大應(yīng)用前景。然而，將水凝膠用于柔性可穿戴電子器件就對(duì)水凝膠提出了較高的要求：電化學(xué)穩(wěn)定性、寬耐受溫度、一定的保水性和強(qiáng)有力的機(jī)械性能使其在多場(chǎng)景的環(huán)境條件下提供穩(wěn)定的電信號(hào)傳遞。



  針對(duì)上述問(wèn)題，齊魯工業(yè)大學(xué)生物基材料與綠色造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于得海、劉溫霞團(tuán)隊(duì)提出了一種MXene/TEMPO細(xì)菌纖維素（TOBC）體系雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。通過(guò)溶劑置換，水凝膠具有寬溫度耐受性（-20-60℃）和穩(wěn)定的機(jī)械性能。大量氫鍵、MXene/TOBC動(dòng)態(tài)三維網(wǎng)絡(luò)體系以及膠束作用賦予了水凝膠優(yōu)異的機(jī)械性能（斷裂伸長(zhǎng)率~2800%，斷裂強(qiáng)度~420 kPa）和自愈合能力。單寧酸的引入阻止了MXene的氧化和水凝膠電氣性能的損失。此外，傳感器還可以快速（74 ms）靈敏的（gauge factor = 15.65）無(wú)線監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，其生物相容性可以很好的避免與人體接觸時(shí)產(chǎn)生的刺激。這一系列研究工作揭示了基于可自愈、良好的細(xì)胞相容性、高靈敏度、寬耐受溫度和耐久性的MXene類柔性可穿戴電子器件構(gòu)效機(jī)制，以及在智能可穿戴、無(wú)線監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等方面顯示出巨大應(yīng)用潛力。


圖1. 水凝膠的合成路線和性質(zhì)應(yīng)用示意圖 


圖2. PBMG水凝膠的機(jī)械柔韌性和結(jié)構(gòu)分析。 


圖3. 優(yōu)化PBMG水凝膠的機(jī)械性能。


圖4. 抗凍和耐干燥。


圖5. PB0.4M0.2G水凝膠在不同的應(yīng)變和溫度條件下的傳感行為。 


圖6. 水凝膠傳感器用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。 


圖7. 柔性電子設(shè)備的外部信號(hào)檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人機(jī)交互功能。


  在這項(xiàng)工作開發(fā)了一種耐溫性、耐久性、可自愈、導(dǎo)電、高拉伸的MXene類柔性電子器件，用于智能可穿戴人機(jī)交互。這一開發(fā)是通過(guò)溶劑置換法將甘油-水二元溶劑引入MXene/TOBC體系雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中實(shí)現(xiàn)的。MXene的存在使水凝膠具有了很好的導(dǎo)電性。同時(shí)，MXene/TOBC動(dòng)態(tài)三維網(wǎng)絡(luò)以及大量的氫鍵賦予了水凝膠超強(qiáng)的拉伸性（~2800%）。由于水和甘油之間形成的強(qiáng)氫鍵相互作用以及水凝膠物理構(gòu)造，水分子的流失（高溫下）和冰晶（低溫下）的形成得到了有效抑制，產(chǎn)生了較好的耐溫性能（-20-60℃）。基于該MXene類柔性可穿戴電子器件優(yōu)越的綜合性能，使其在電子皮膚、無(wú)線監(jiān)測(cè)、智能人機(jī)交互等方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)工作成果以《TEMPO bacterial cellulose and MXene nanosheets synergistically promote tough hydrogels for intelligent wearable human-machine interaction》發(fā)表在Carbohydrate Polymers上，齊魯工業(yè)大學(xué)生物基材料與綠色造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)碩士研究生董寶亭為第一作者，于得海副教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121621

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（責(zé)任編輯：xu）
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