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中科院蘭州化物所3D打印摩擦器件團(tuán)隊(duì)《Small》：體溫觸發(fā)的結(jié)構(gòu)化水凝膠傳感器
2025-01-10  來(lái)源：高分子科技

  具有pH、溫度、濕度等外部刺激響應(yīng)性的智能水凝膠傳感器在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其中，在眾多智能水凝膠傳感器中，皮膚可貼附的熱響應(yīng)性水凝膠因其獨(dú)特的響應(yīng)性、生物相容性和形狀適應(yīng)性引起了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，在眾多熱響應(yīng)水凝膠傳感器中，很少有能根據(jù)體溫觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)其光學(xué)及粘附性質(zhì)的改變，這進(jìn)一步限制了水凝膠傳感器在可穿戴器件領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，開(kāi)發(fā)同時(shí)具有體溫響應(yīng)、粘附適應(yīng)性和透明度可調(diào)的可穿戴水凝膠結(jié)構(gòu)器件至關(guān)重要。


  為了解決上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種可貼附于皮膚的熱響應(yīng)水凝膠，其可根據(jù)人體體溫的改變而具備了可調(diào)光學(xué)特性和可切換的粘附特性（圖1）。具體來(lái)說(shuō)，研究人員通過(guò)在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入溫敏單體N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和強(qiáng)氫鍵單體丙烯酸（AAc），構(gòu)建了具有可調(diào)LCST的熱響應(yīng)NAPA水凝膠，且該水凝膠的LCST是能夠接近人體的體溫環(huán)境（36~38℃），從而實(shí)現(xiàn)了水凝膠在人體體溫觸發(fā)下透明度和粘附性的轉(zhuǎn)變。此外，通過(guò)利用光固化3D打印技術(shù)構(gòu)建了可穿戴且高靈敏度的水凝膠傳感器陣列結(jié)構(gòu)。作為概念驗(yàn)證，貼附在手背面的可穿戴水凝膠傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)變的差異，并將高溫監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能與視覺(jué)透明度改變相結(jié)合。這項(xiàng)工作提供了一種制備結(jié)構(gòu)化響應(yīng)水凝膠的先進(jìn)方法，在柔性電子皮膚、智能可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互設(shè)備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。


  相關(guān)研究工作目前以“Skin‐Mountable Thermo‐responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional Sensing”為題目發(fā)表在《Small》上，石河子大學(xué)聯(lián)培碩士研究生徐新強(qiáng)為論文第一作者，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所劉德勝青年研究員、煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室呂陽(yáng)助理研究員、姬忠瑩副研究員為共同通訊作者。


圖1 皮膚可貼附熱響應(yīng)水凝膠的設(shè)計(jì)制備和光固化3D打印制造


  基于此，詳細(xì)研究了AAc含量和溫度對(duì)NAPA水凝膠透明度的影響以及調(diào)控機(jī)制。隨著AAc含量的升高，NAPA水凝膠的LCST隨之下降。其中，在AAc含量為6 wt %時(shí)，NAPA的LCST為38℃，且能夠根據(jù)人體體溫發(fā)熱的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)透明度的轉(zhuǎn)變（圖2）。


圖2 NAPA 水凝膠的機(jī)械和光學(xué)特性表征


  圖3詳細(xì)展示了NAPA水凝膠在玻璃、塑料、金屬等各種基底上的粘附性能。此外，這種熱響應(yīng)水凝膠的粘附性還受到溫度的影響，即在低溫時(shí)呈現(xiàn)出良好的粘附性，而在高溫時(shí)則呈現(xiàn)出低粘附性，并且這一特性具備很好的可逆性。


圖3 NAPA水凝膠可切換粘附性能的表征及機(jī)理


  圖4展示了NAPA水凝膠的電機(jī)械特性及其在不同條件下的響應(yīng)行為。實(shí)驗(yàn)證明，該水凝膠在不同應(yīng)變、拉伸速率和溫度下，電阻信號(hào)變化靈敏且穩(wěn)定，表明其具備寬范圍應(yīng)變檢測(cè)和穩(wěn)定的溫度響應(yīng)能力。此外，在連續(xù)和循環(huán)溫度變化中，其電阻信號(hào)也保持穩(wěn)定，說(shuō)明在可穿戴傳感器領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用潛力。


圖4 NAPA水凝膠的機(jī)電特性和調(diào)節(jié)


  此外，利用光固化3D打印技術(shù)制備了手背式的水凝膠陣列傳感器，其能夠檢測(cè)不同的手勢(shì)狀態(tài)和溫度的信號(hào)。同時(shí)在NAPA水凝膠傳感器下安裝警報(bào)燈，其可根據(jù)光學(xué)特性變化能用于體溫過(guò)熱報(bào)警。此外，NAPA水凝膠還可用于連續(xù)檢測(cè)在曲面結(jié)構(gòu)表面的傳感性能，即可連續(xù)檢測(cè)氣球在不同膨脹（即從 0% 到 300%）和收縮（即從 300% 到 0%）程度下的傳感信號(hào)變化。這些結(jié)果表明所制造的NAPA柔性水凝膠傳感器在高溫報(bào)警、心率監(jiān)測(cè)和多響應(yīng)可穿戴傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖5 用于人體檢測(cè)的應(yīng)變和溫度耦合響應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用演示


  該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、甘肅省科技計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院特別研究助理資助項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。


  文章信息：Xinqiang Xu, Yang Lyu*, Di Liu, Xinyan Shi, Zhongying Ji*, Desheng Liu*, Xin Jia, Xiaolong Wang. Skin-Mountable Thermo-responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional Sensing. Small, 2024，2411808.

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202411808


研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：

王曉龍，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，3D打印摩擦器件組組長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。2007年博士畢業(yè)于蘭州大學(xué)，2010-2011香港理工大學(xué)研究助理；2012-2013加拿大西安大略大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者。山東省“泰山學(xué)者”特聘專(zhuān)家，石河子大學(xué)“綠洲學(xué)者”，“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)首席科學(xué)家，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員，甘肅省材料學(xué)會(huì)理事，《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》等編委；曾獲2021年IAAM Scientist Award，甘肅省專(zhuān)利獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第一），甘肅省醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第二），甘肅省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（第七）。研究領(lǐng)域包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦與潤(rùn)滑等，在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Small等期刊發(fā)表論文150余篇、H因子45，主編英文專(zhuān)著1部，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利20余件、美國(guó)專(zhuān)利2件。

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（責(zé)任編輯：xu）
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