Small:化繁为简-基于PVA-PEI复合导电水凝胶的弹性体用于人体细微运动的可拉伸传感

随着人工智能的迅速发展,基于智能终端构建的物联网系统正在悄无声息的影响着我们每个人的生活。物联网系统的正常运作,有赖于网络中智能终端对外界信号精准无误的收集和传递。在这一过程中,柔性可拉伸、可穿戴以及生物兼容性的智能传感器成为了重要的“中间枢纽”。柔性应变传感器作为柔性电子器件的核心部件,在电子皮肤、人体健康监测、植入式设备、人机交互系统等方面有广阔的应用前景。未来通过这些传感器将实现实时的“man-to-man”,“machine-to-machine”以及“man-to-machine”的无差错信号传导。由于人体皮肤或者机器人表面具有非线性曲面结构,如何让传感器适应形状不同的曲面,并满足长期稳定工作的需求,对传感器的性能和功能提出了新的要求,如良好的柔韧性和拉伸性能,对生物体具有良好的安全性,以及防止微生物粘附而导致的器件耗损等。

水凝胶是亲水性高分子分散在水相环境中形成的“保水”材料,通常情况下,其具有优异的生物相容性、力学柔韧性和环境友好等特点。通过多种物理化学方法,可以增强水凝胶的力学性能,如柔韧性和粘弹性能,进而实现水凝胶在可穿戴传感器方面的应用潜力。尽管目前有许多关于凝胶型力学传感器的报道,但是,一系列问题同时存在。如为了增强凝胶的可拉伸性能或者强度,科学家设计合成了各种复杂的高分子材料,通过在高分子链中引入特殊功能的化学基团,以增强水凝胶网络中的氢键,静电引力,金属螯合或者动态共价相互作用。通过分子设计来改善水凝胶性能的方式犹如一把“双刃剑”,一方面凝胶的力学性能显著改善;但是,相伴而来的是制作成本以及合成难度的增加,这使得凝胶的大规模工业化生产难度提升。

近日,中国科学院纳米能源与系统研究所李舟课题组与合作者在工程化水凝胶制备和传感应用领域取得了新的进展。该成果以“内调控代替官能团多样性”的方式,将凝胶性能优化的关键环节从繁琐的化学合成过程转变为凝胶内组分调控,从而大大缩减了制作的成本和工艺。研究人员首先对市面上常见的制作水凝胶的高分子材料(如壳聚糖,海藻酸钠,聚乙烯醇)进行了系统筛选,他们考察了8种水凝胶的力学性能,发现基于聚乙烯醇(PVA)和聚乙二胺(PEI)的水凝胶表现出最佳的力学性能。基于PVA/PEI这一体系,研究人员对水凝胶进行了细致的性能考察和优化。考虑到PVA和PEI显示相反的电荷,他们通过改变PVA和PEI的配比,以实现分子间静电引力的最大化。结果表明,当PVA与PEI的比例从1:2变成2:1时,拉伸应变和应力分别增加了两倍和六倍。接下来以PVA2PEI1为模型,考察了水含量对凝胶性能的影响。当凝胶内水含量从85%变成75%时,凝胶的拉伸应力变化超过了6倍。最终,得到了最优性能的凝胶的形式为:PVA2PEI1-75。该凝胶的断裂应变高达500%,对应的断裂应力为0.6MPa。

基于得到的水凝胶,研究人员探索其在压阻性传感器中的应用。研究人员提高了凝胶的导电性能和力学性能。通过测试和计算,凝胶的敏感度因子 (gauge factor) 为9-22,明显高于报道的同类型传感器。随后,他们将制得的传感器用于人体不同部位运动的监测,这些运动包括:手指/手肘/膝盖的伸屈,嘴角的上扬,眨眼运动,发声动作等。所有结果表明,基于PVA-PEI的传感器具有极好的灵敏度和准确度。最后,细胞实验和抗菌实验表明,该凝胶具备良好的生物兼容性以及抗菌性能。

该研究提出了一种新的对凝胶的性能进行“化繁为简” 优化的方法,并得到了一种基于PVA-PEI的弹性水凝胶。由于该凝胶满足可穿戴柔性电子器件的严格要求,未来,在应变式压力传感器领域具有广泛的应用价值。相关结果发表在Small上( DOI:10.1002/smll.201904758)。