高光辉团队：在乳液粒子增韧水凝胶方面取得进展

　　皮肤是人体最大的体表感官器官，具有保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等作用。随着科学技术的进步，模仿人类皮肤感知功能（如温度，湿度，压力等）的仿生电子设备陆续出现，并已在人机界面，软体机器人，可穿戴传感器等领域实现应用。近年来，离子导电水凝胶，由于其柔软，可拉伸，在结构和机械特性方面类似于生物组织，在方面取得了重大进展。然而，目前成熟的聚丙烯酰胺基水凝胶的力学性能较差，尤其是自恢复性和抗疲劳性，这严重影响实际应用中的循环性和耐久性。无机纳米粒子具有特殊的表面效应和尺寸效应，其作为无机物增韧相增强水凝胶已受到越来越多的科研工作者的关注。然而，目前大多数的纳米复合水凝胶，一方面，由于结构单一，网络中缺乏有效的能够耗散机制；另一方面，由于纳米粒子表面能很高，极易发生团聚，使得水凝胶的强度和韧性的提高并不理想，限制了其实际应用和功能开发。核壳乳液聚合以其产物的独特结构和性能受到广大研究者的重视。不同于简单的无机纳米粒子表面改性，核壳杂化乳液粒子借助乳化剂的作用能够均匀的分散在水中，其已被广泛应用于抗冲改性剂、涂料、粘合剂等许多领域。因此，开发一种核壳杂化乳液粒子增韧的离子导电水凝胶材料，使其兼具类似皮肤的力学性能和感知能力，在组织工程、可拉伸电子器件及可穿戴设备等领域具有潜在的应用价值。

　　针对上述问题，长春工业大学高光辉课题组受人体皮肤启发，成功开发了一种具有类似皮肤的力学性能和应变、压力感知性能的杂化乳液粒子增韧水凝胶基传感器。杂化纳米粒子的引入明显提高水凝胶的力学性能，该水凝胶表现出优异的拉伸性、可恢复性和抗疲劳性，并能够实现对人体运动的快速、准确、反复地监测。

　　利用细乳液聚合方法，制备二氧化硅-聚丙烯酸丁酯核壳杂化乳液粒子(HLPs)，并将其作为疏水交联中心引入到疏水缔合体系中，成功制备了杂化纳米粒子交联的水凝胶。杂化纳米粒子表面的聚丙烯酸丁酯能够通过疏水作用交联水凝胶网络中的甲基丙烯酸十二酯(LMA)疏水链段，最终形成杂化纳米粒子交联的水凝胶。这种动态的疏水交联结构能够通过破坏和重组耗散大量的能量来提高力学性能，并赋予水凝胶优异的自恢复性和抗疲劳性。此外，体系中导电离子的加入也赋予了水凝胶优异的导电性，使其能够组装成电阻型传感器。

图1.杂化纳米粒子交联的水凝胶的制备过程和形成机理

　　自恢复性和抗疲劳性是人类皮肤抵抗生理或外力以及日常活动中的机械损伤的重要特性。基于动态交联网络，水凝胶展现出类似皮肤甚至超越皮肤的力学性能，其能够抵抗外力的拉伸和刺穿等机械破坏。同时，循环拉伸和流变测试结果表明，该水凝胶表现出快速的自恢复性能。值得注意的是，该水凝胶具有优异的抗疲劳性能，能够承受100次的反复压缩，这将明显提高水凝家胶基传感器的循环性和耐久性。

图2.水凝胶的机械性能测试：(a)水凝胶的性能展示；(b)不同组分的水凝胶的拉伸应力-应变曲线；(c)恢复前后的水凝胶的拉伸循环曲线；(d)水凝胶的循环剪切应变测量；(e)压缩循环应力-应变曲线；(f)10%和50%应变下100次压缩循环测试

　　此外，与大多数已报道的水凝胶基应变传感器相比较，该水凝胶表现出极大的应变探测范围（2000%）和较高的灵敏度（5.44）。值得注意的是，水凝胶可以作为压力传感器以检测压力刺激，其最小探测应变为3kPa。并且，水凝胶的动态交联结构使得水凝胶传感器展现出较快的响应时间（152ms）和恢复时间（147ms）。

图3. (a)LED灯的亮度随水凝胶伸长率的变化；(b)水凝胶在不同拉伸应变下的相对电阻变化；(c)水凝胶的应变敏感表现与目前所报道的水凝胶应变传感器的比较；(d)手指按压水凝胶前后LED灯的亮度变化；(e)水凝胶在不同压力下的电阻变化；(f)水凝胶压力传感器的响应时间和恢复时间

　　基于水凝胶的高灵敏度、快响应性和循环稳定性，其可作为可穿戴式传感器以实现对人体活动快速、准确地监测，包括细微的发声、呼吸和大尺度的关节弯曲以及走路、跳跃等运动。这种结合类似皮肤的力学性能和应变、压力感知能力于一体的水凝胶将在可穿戴传感器领域具有广泛的应用前景，同时也为开发新型仿生皮肤设备提供了新的研究思路。

图4.(a)水凝胶基应变传感器与手指整合的图像；(b)水凝胶基压力传感器置于鞋底的图片；(c-h)水凝胶传感器对人体不同运动的监测：(c)发声、(d)呼吸、(e)手指弯曲、(f)手肘弯曲、(g)走路、(h)跳跃

　　这一工作以题目为“Bioinspired dynamic cross-linking hydrogel sensors with skin-like strain and pressure sensing behaviors”的研究论文发表在《Chemistry of Materials》杂志上。论文的第一作者为长春工业大学化学工程学院博士生夏珊，通讯作者为高光辉教授。