文献信息
题目：Ultrasensitive and Highly Stretchable Multiple‑Crosslinked Ionic Hydrogel Sensors with Long‑Term Stability
具有长期稳定性的超灵敏和高度可拉伸的多交联离子水凝胶传感器
期刊：Nano-Micro Letters
IF：26.6
DOI：doi.org/10.1007/s40820-023-01015-7
日期：15 February 2023
作者信息
第一作者：Jin-Young Yu
通讯作者：Seong Min Kang ; Jeong Hun Kim
通讯单位：韩国忠南大学
文章亮点
1. 采用一锅法合成了多交联聚(2-(甲基丙烯氧基)乙基)二甲基-(3-磺丙基)氢化铵-共丙烯酰胺多功能水凝胶。
2. 所提出的水凝胶具有保水性、防冻性、自愈性和透明度，以及增强的强度、良好的粘附性和高规格系数。
主要内容
柔性水凝胶因其在可穿戴传感器中的应用而受到广泛关注。然而，大多数水凝胶材料具有粘附力弱、一次性粘附、灵敏度低、易冰结晶、易水分蒸发、自恢复能力差等特点，限制了其作为传感器的应用。这些问题在以前的研究中只得到部分解决。本文通过一锅合成方法制备了多交联聚(2-(甲基丙烯氧基)乙基)二甲基-(3-磺丙基)氢化铵-共丙烯酰胺(P(SBMA-co-AAm))多功能水凝胶，以克服上述局限性。
具体来说，加入离子、甘油和2-(甲基丙烯氧基)乙基)二甲基-(3-硫丙基)氢氧化铵来降低冰点，提高保湿能力。所提出的水凝胶优于现有的水凝胶，因为它具有良好的拉伸性(应变为2900%)，自修复性能，并且通过其动态交联网络中的有效能量耗散而具有透明度。此外，2-(甲基丙烯氧基)乙基)二甲基-(3-磺基丙基)氢氧化铵作为两性离子单体，由于偶极-偶极矩的作用，提高了离子的可转运性，并实现了20.9 kPa的强附着力，在1300-1600%的菌株下，测量因子为43.4。提出的水凝胶有望用于下一代生物医学应用，如软机器人和健康监测。
结果与讨论
PART/1
水凝胶制备工艺。水和甘油的混合物用来减少水的蒸发。通过加入SDBS和LA建立了具有可逆动态键的疏水缔合，加入NaCl实现了高离子电导率和低凝固点。多交联P(SBMA-co-AAm)水凝胶的制备工艺示意图，水凝胶由与有机交联剂的化学键和与LA长烷基链的疏水缔合组成。水凝胶具有自恢复、强附着力、高灵敏度、防冻性、保水性和高透光性等特点。
PART/2
多交联P(SBMA-co-AAm)水凝胶的FT-IR光谱，表明水凝胶具有化学稳定性。多交联P(SBMA-co-AAm)的总应变高于仅具有化学关联或疏水关联的水凝胶。发光二极管(LED)的亮度强度随着水凝胶的伸长而变化。弹性模量取决于水凝胶的组成，调整其比例以获得最大的强度和附着力，不同成分水凝胶对玻璃的附着力不同。4号水凝胶在不同循环下对玻璃的附着力，胶粘剂实验设计，水凝胶可以附着在玻璃基板上并反复分离，并且在循环测试中保持其粘附强度。
PART/3
加入具有生物相容性和吸湿性的甘油来增加保水性。与不含甘油的水凝胶相比，含甘油的水凝胶对水蒸气蒸发的抵抗力明显增强。DSC图中说明本研究样品的耐低温性非常高。水凝胶具有防冻性能。此外，4号水凝胶可以承受拉伸、扭曲和其他灵活的运动。即使在电路中配置水凝胶，在- 17°C下储存6小时，LED也会亮起。即使在低温下长时间保存(16 h)，灵敏度也没有变化。
PART/4
水凝胶具有自愈能力，即物理键是可逆的。水凝胶切割后1 h，疏水结合在不断恢复。通过显微镜观察其自愈能力。自愈后的水凝胶电学性能与切割前相同。水凝胶被切成两半后，LED熄灭。然而，它随后被释放，因为自修复的水凝胶形成可逆的结合链，导电离子可以穿过界面。在应变为10%时，原始样品和自愈样品的灵敏度值相同。
PART/5
水凝胶是一种电稳定的材料。传感器在拉伸和返回时的响应时间很快，拉伸与返回的反应速度小，迟滞可以忽略不计。传感器的周期稳定性。P(SBMA-co-AAm)水凝胶与先前研究的水凝胶在GF、保水、自愈、防冻、透明度和反应速度的七角形图中进行比较。水凝胶还可以用来捕捉门窗的运动，家具的运动，这表明了它在智能住宅中使用的可能性。水凝胶附着在手指关节上，以跟踪运动和弯曲角度。在跟踪膝关节运动时也可以观察到相同的机制。当水凝胶附着在颈部时，还可以用于感知声音信号。
总结
本文采用一锅法合成了一种离子导电的多交联P(SBMA-co-AAM)水凝胶。该水凝胶具有保水性、防冻性、自愈性和透明性，具有增强的强度、良好的粘附性和高GF。加入甘油和氯化钠离子以获得水分稳定性(例如保水性)和防冻性能。合成路线使用化学键来构建水凝胶的基本骨架，由胶束形成的物理键提供弹性，自愈，增强强度和透明度。透明度使可见性和材料特性保持了大约一个月。在水凝胶中加入两性离子SBMA，使其具有粘附能力并提高离子迁移率。所得的水凝胶具有很高的灵敏度，在1300% ~ 1600%的应变下，GF为43.3，是以往报道的灵敏度的两倍以上，显著提高了其传感性能。我们已经证明，它可以检测各种人体运动，并有可能被用作可穿戴式人体监测传感器。它还可以用作室内设施和家具的传感器，例如由于其高应变而捕捉窗户的运动，这表明它在智能家居应用中的可能性。提出的水凝胶克服了先前报道的水凝胶的局限性，可以显著促进水凝胶装置的发展。
多交联P(SBMA-co-AAM)在可穿戴电子产品、智能家居、组织工程和软机器人方面的应用前景广阔。然而，自愈后，传感器的强度迅速下降。尽管这种自愈水凝胶具有1000%的应变和恒定的灵敏度和导电性，但其强度的进一步提高将允许制造更耐用的传感器。因此，这方面需要后续的研究来解决。
转自：“科研一席话”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
