导电、可穿戴和灵活的基于水凝胶的传感器被认为在人体运动检测和生理信号监测中具有广阔的应用前景。近年来传感器在各行各业，尤其在医疗卫生领域的应用越来越广泛。对医疗器械行业来说，离开传感器可谓“寸步难行”。然而，对于下一代智能设备来说，将多种功能集成到一种材料中仍然是一个问题。近日，医疗设备展Medtec中国展了解到武汉大学Jinping Zhou（通讯作者）通过结合化学交联的聚丙烯酰胺 (PAM) 和物理交联的羧甲基壳聚糖接枝聚苯胺 (CMCS-g-PANI)/Ag+网络制备了离子/电子双导电水凝胶。双网络水凝胶具有高拉伸性、可重复的粘附性、抗菌活性和生物相容性。对于可穿戴式应变传感器，它还具有高灵敏度和稳定的电气性能。此外，本文组装了一个基于化学能到电能转换的自供电应变传感器，无需外接电源也可用于人体运动检测。这项工作为开发用于可穿戴电子设备的具有出色机械和电子性能的多功能水凝胶提供了一条途径。相关成果以“Dual-network polyacrylamide/carboxymethyl chitosan-grafted-polyaniline conductive hydrogels for wearable strain sensors”为题发表在《Carbohydrate Polymers》上。

图文导读

图 1. (a) PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN 水凝胶的制备示意图。 (b) 水凝胶内的多重相互作用。 (c) 水凝胶的 FTIR 和 (d) XPS 光谱。 (e) 水凝胶在不同 pH 溶液中的平衡溶胀比 (ESR)。

图 2. PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN水凝胶的力学性能。 (a) 拉伸和 (b) 压缩 PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN 水凝胶的照片。 (c) 不同浓度 CMCS-g-PANI（固定为 0.05 wt% Ag+）的拉伸应力-应变曲线。 (d) 不同浓度Ag+（固定 5 wt% CMCS-g-PANI）的拉伸应力-应变曲线。 (e) 不同应变（100、200、400、600、800% 和 1000%）的循环拉伸加载-卸载曲线。 (f) 500%应变下的六个连续加载-卸载曲线。 (g) 不同浓度Ag+（固定 5 wt% CMCS-g-PANI）的压缩曲线。 (h) 50% 压缩应变下的循环压缩加载-卸载曲线。

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图 3. PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN水凝胶的粘合性能。 (a) 水凝胶稳定地粘附在各种基材（纸、玻璃、塑料、橡胶、镍和人体皮肤）上。 (b) 对各种基材的粘合机制的示意图。 (c) 搭接剪切附着力测量示意图。 (d) 对不同基材（玻璃、木材、橡胶、塑料和猪皮）的粘合强度曲线。 (e) 对不同基材（玻璃、木材和橡胶）的可重复附着力测试。 医疗设备展Medtec中国展自2016年起布局医疗电子，从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区，目前已经有包括日立金属投资（中国）有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展，点击快速预登记

图 4. (a) LED 灯泡与 PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN 水凝胶连接构成的串联电路、并联电路和串并联电路。 (b) 基于连接到开关程序电路的水凝胶的单刀双掷开关。 (c) 不同浓度Ag+的水凝胶的电导率。 (d) LED 灯泡在拉伸时的亮度变化。 (e) 不同菌株水凝胶的抗性 (R)。 (f) 用于打电话的电子皮肤用 DN 水凝胶的照片。 (g) 使用 DN 水凝胶作为可触摸的屏幕笔写字。

图 5. (a) 连接到身体不同部位以进行运动检测的传感器示意图。监测各种关节的大运动：（b）手指，（c）手腕，（d）膝盖。监测细微动作：（e）吞咽，（f）说话（“ni”，“hao”）和（g）脉搏。 (h) 通过点击压力传感器输入“WHU”的摩尔斯电码。 (i) 签名传感示意图。 ΔR/R0到 (j) 字母“C”和 (k, l) “whu”由两个人书写。

图 6. (a) 自供电传感器的结构示意图。 (b) 测试了自供电应变传感器的电压。 (c) 自供电应变传感器在不同角度下手指弯曲的电压信号。 (d) 压缩、(e) 弯曲和 (f) 拉伸下的电压变化的循环测量。

小结

通过简便的一锅自由基聚合成功制备了多功能 PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN 水凝胶。由于共价和多重动态配位交联，PAM/CMCS-g-PANI/Ag DN 水凝胶表现出高拉伸性（~1100 %）、可恢复性、可重复的自粘性能（~22.6 kPa）和良好的生物相容性。此外，Ag+的引入导致对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的优异抗菌活性，以及水凝胶的高电导率（0.45 mS/cm）。值得注意的是，凭借离子/电子双传导的优势，水凝胶作为应变/压力传感器表现出高灵敏度（GF = 6.43），耐用性（300次循环），可以精确监测和区分人体运动，包括大型（关节弯曲运动）和细微的人体运动（说话、吞咽、书写和脉搏）。此外，通过将水凝胶和原电池结构相结合，获得了一种自供电传感器，无需外接电源仍可使用，推动了便携式可穿戴应变传感器的发展。简而言之，所有这些不同的应用都可以为开发可穿戴电子设备开辟一条新途径。

来源: 高分子凝胶与网络