黄维院士团队：多模态生理信号监测和紧急报警系统的自增强水凝胶基柔性电子器件

研究背景

随着健康监测设备、人机交互技术、人工智能的发展，可穿戴电子设备的柔性材料被要求大幅提高性能。柔性材料的长期耐用性以降低运行成本或减轻经济负担是首要考虑。同时，柔性材料的亲肤性也是不可或缺的改进之一，以满足在人体表皮上工作的要求。水凝胶固有的组织特征和多功能特性使其成为满足制造柔性电子产品要求的优秀材料。然而，传统的基于水凝胶的电子器件在受到反复的机械力时很容易损坏。传统的水凝胶电子器件的抗疲劳性差，可能会降低其服务稳定性和准确性，这将缩短其寿命并增加运行成本。鉴于这些问题，研究人员提出了许多策略来设计具有出色机械性能的水凝胶，包括构建纳米材料-水凝胶复合材料或构建双网络水凝胶等。这些策略分别将韧性和断裂能量提升到显著的高水平，而仅仅提高水凝胶的机械强度可能会导致连续循环加载时不可避免的应力松驰和断裂，这对解决长期耐久性问题没有好处。自愈策略也被提出来作为处理已经发生的断裂问题的补救措施。然而，水凝胶的快速自愈性能总是需要更多的聚合物缠结的流动性，并降低交联密度，这限制了它们在高频应变的长期负载上的应用。

研究成果

水凝胶固有的类似组织的特征和多功能特性使其成为柔性电子器件的优秀材料。然而，传统的水凝胶机械强度不足，抗疲劳性差，在受到交变应力时，会被损坏或失去使用稳定性。在此，自增强水凝胶是由精心设计的离子导电水凝胶经过重复的汗水浸泡-脱水(SSD)处理后制造出来的。自增强水凝胶的抗拉强度从 480 kPa提高到 930 kPa，并且在6 SSD 处理周期后表现出对任何方向的裂纹扩展不敏感。此外，与商业可穿戴材料相比，自增强水凝胶在皮肤兼容的小鼠模型中显示出良好的皮肤友好性。综合这些优点，西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授等人利用自增强水凝胶制作了各种可接触皮肤的柔性电子器件，还集成了急性心肌梗塞引起的心源性休克的紧急报警系统，有望在事故中帮助潜在的病人。相关研究以“Self-Reinforced Hydrogel-Based Skin-Contactable Flexible Electronics for Multimodal Electrophysiological Signal Monitoring and Emergency Alarming System”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of preparation process and crosslinking forms of hydrogels.

Figure 2. Tensile stress–strain curves of hydrogels under different conditions and relevant mechanical tests.

Figure 3. Self-reinforcement of the hydrogels.

Figure 4. In vitro and in vivo biocompatibility assays.

Figure 5. Electrical sensing properties of the self-reinforced hydrogels.

Figure 6. Multimodal electrophysiological signals monitoring. The relative resistance changes of the self-reinforced hydrogel-based sensor to detect various human motions.

Figure 7. The logic diagram and process of emergency alarm system.

总结与展望

在这项研究中，制备了具有长期耐久性的基于水凝胶的可穿戴电子设备。在自增强过程中水凝胶的抗拉强度从 480 kPa提高到 930 kPa，并且可以在任何负载方向上分散应力，而不是集中在裂纹尖端，有效地避免了应力松弛和使用范围的问题。由于三重牺牲性交联机制水凝胶被赋予了机械耐久性，在 50%的应变下压缩1000 次后，其残余应变低于10%.极限应力大于 95%。此外，体外细胞相容性和溶血性试验以及体内皮肤接触小鼠模型的结果表明，自增强水凝胶可以作为直接接触皮肤的材料，满足可穿戴柔性电子产品的长期耐久性要求。离子导电自增强水凝胶被制作成多模态电生理信号监测传感器，并表现出 160 ms的快速响应和可区分的灵敏度参数。此外，基于自增强水凝胶的柔性电子器件被创造性地集成到急性心肌梗死引起的心源性休克报警的应急系统中，有望在事故中帮助潜在的病人。总的来说，该工作极大地扩大了水凝胶的应用范围，进一步推进了自增强水凝胶的探索，具有一定的参考意义。

文献链接

Self-Reinforced Hydrogel-Based Skin-Contactable Flexible Electronics for Multimodal Electrophysiological Signal Monitoring and Emergency Alarming System

https://doi.org/10.1002/adfm.202214917.

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