柔性离子导电水凝胶

柔性离子导电水凝胶具有良好的导电性、柔性以及生物相容性等特点,其在生物医学、软体机器人以及人工器官等领域的广泛应用受到越来越多的关注。然而离子导电水凝胶目前存在高机械性能和高导电性不能兼顾,机械性能不易调节等制约因素。例如,在生物电子学的相关应用中,导线材料不仅需要具有良好的生物相容性,以便它们能够长期地与人体(如皮肤、肌肉、心脏或大脑)一起使用,更重要的是,它们也需要同时具备高导电性和良好机械性能。这些特性可以保证相关系统在承受巨大的机械载荷及大应变下仍保持较高的导电性用以信号传输,同时也避免意外断裂造成系统崩溃等问题。现有的柔性离子导电凝胶难以同时满足这些要求。

近日,新加坡南洋理工大学的龙祎(通讯作者)课题组和陈晓东(通讯作者)课题组合作通过调节凝胶中离子浓度和迁移空间密度,制备了一种高性能的可应用于仿生及生物电子学等领域的纤维素/聚乙烯醇离子导电水凝胶,很好地满足了上述需求。通过调节纤维素含量,以及离子浓度,合成出同时具有高机械强度和高导电性的柔性胶体 (高浓度聚乙烯醇凝胶提供高机械强度,纤维素在凝胶中形成的含水孔道提高了盐离子浓度,并为盐离子提供迁移空间)。由于这种独特的结构设计,该离子水凝胶具有可调控拉伸(0.6~4 MPa)和弹性(15~900 kPa),其拉伸应变最高可达975%。由于具有高的盐离子含量和迁移空间,其导电性可达3.4 S m−1 (f = 1 MHz)。该凝胶可以作为人造神经用在3D打印的机器人手上,允许在机器人手指运动时传递稳定以及可调的电信号,同时能监控机器人手指运动状态。这种离子导电水凝胶在人工柔性电子领域有着广阔的应用前景。

相关结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201806220) 上,文章的第一作者为博士生周洋和博士后万昌锦。

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