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蘇州大學程絲教授課題組 Mater. Horiz.：受生物組織啟發(fā)的高強度和抗溶脹納米纖維水凝膠復合材料用于兩棲運動傳感

2024-09-06 來源：高分子科技

傳統(tǒng)的水凝膠在潮濕環(huán)境中會出現(xiàn)明顯的膨脹，機械性能較差，這在很大程度上限制了其在可穿戴電子設備中的應用，尤其是在水下傳感方面。此外，兩棲環(huán)境中對應變傳感器的需求也在不斷增長，如植入式傳感器、水下機器人傳感器和游泳者智能報警器。兩棲環(huán)境要求傳感器能夠應對各種環(huán)境變化，并在長期水下環(huán)境中保持導電穩(wěn)定性。

近日，蘇州大學程絲教授課題組從細胞外基質（ECM）結構中汲取靈感，開發(fā)出一種具有優(yōu)異機械堅固性和抗溶脹性的TPU-PVAc@AgNPs/MXene納米纖維狀水凝膠復合材料（TPAMH）。TPAMH納米纖維水凝膠復合材料是通過將銀納米粒子（AgNPs）和MXene納米片整合到一個由剛性TPU納米纖維作為纖維支架和甲酸交聯(lián)PVA水凝膠纖維作為彈性基質（PVAc）的交織網(wǎng)絡中而成的(圖1)。得益于獨特的仿生ECM結構，所獲得的納米纖維水凝膠復合材料具有優(yōu)異的拉伸強度、斷裂伸長率、抗膨脹性和高檢測靈敏（最大GF= 105.02），可以有效監(jiān)測空氣和水環(huán)境中的各自人體運動，例如手指、肘部、手腕及膝蓋處的大應變運動，皺眉、微笑和脈搏跳到等小應變生理信號，以及水下多方向運動和利用摩斯密碼水下報警等。該工作以“Strong and Anti-swelling Nanofibrous Hydrogel Composites Inspired by Biological Tissue for Amphibious Motion Sensors”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。論文的第一作者為蘇州大學紡織與服裝工程學院碩士研究生任政。

圖1. 基于ECM結構的TPAMH納米纖維水凝膠復合材料的制備

TPU-PVAc機械性能的大幅改善（圖2）歸功于納米纖維水凝膠網(wǎng)絡中的多種機械能耗散機制，包括ECM中納米纖維網(wǎng)絡結構提供的機械支撐，PVAc的不可逆化學交聯(lián)以及TPU和PVAc之間的可逆氫鍵。

圖2.TPAMH的機械性能

MXene與Ag納米顆粒的協(xié)同作用極大提升了TPAMH的靈敏度。由于具有高拉伸性和靈敏度，TPAMH 的相對電阻在很寬的應變范圍內顯示出可逆和穩(wěn)定的變化，包括低應變（1-40%）和高應變（50-500%）。此外，TPAMH還展示出出色的響應/回復時間及循環(huán)穩(wěn)定性（圖3）。