中科院：综合性能优异的离子皮肤材料新选择
时间：2021-08-12 08:57 来源：高分子科技 作者：admin 阅读：次
“离子皮肤”是一种基于离子电传导机制来模拟人类皮肤感知应力、温度等多重功能的柔性电子器件。这一新材料概念一经提出即引起了科学家们广泛的研究兴趣，发展出一系列基于弹性体和水凝胶的导电型柔性材料，在柔性电子学所涉及的穿戴式健康监测系统、人机交互界面、智能软机器人等多个领域，展现出诱人的商业化应用前景。
当前离子皮肤材料的发展日新月异，它们分别在拉伸性、导电性、自愈合性、透明性、粘附性等关键性能方面，可以满足特定的应用需求。然而，当前材料大多注重单一性能的提高和优化，其综合性能表现与未来商业化离子皮肤的高要求相比，仍有不小的差距，也是目前制约该领域发展的瓶颈问题。针对离子皮肤对材料综合性能的需求，中科院宁波材料所陈静博士课题组通过精心设计水凝胶的组分、网络结构和链间相互作用，发展了一类集超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一身的离子导电水凝胶材料。该材料具备和人类皮肤相仿的离子电传导能力和应力/温度双重传感功能，在穿戴式健康监测、仿生机器人、多模态生理电信号同步采集等方面展现出重要的应用潜力。
作者选择海藻酸盐、两性离子单体磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)和亲水单体甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为制备原料，它们均具有优异的生物相容性。首先利用钙离子络合作用构建多糖网络骨架，保证凝胶具有一定的力学强度，再通过原位引发SBMA和HEMA共聚，在多糖网络中构建完全基于非共价作用(静电力、氢键)的半互穿网络结构。所得水凝胶材料在宏观上表现出超高拉伸性(975%)、高透明性(96.2%)、普适粘附性、可3D打印性(图1)。
图1：基于非共价交联作用的水凝胶网络结构示意图(a)；水凝胶宏观性能表现(b)
上述优异的综合性能表现可归结于作者对材料设计的几点思考：(1)水凝胶可利用可逆的非共价相互作用来耗散外应力能量，从而获得优异的力学拉伸性(图2a)和弹性回复能力(图2b)，能够在应力场条件下维持离子皮肤材料的性能；(2)高度亲水的多糖和聚两性离子形成微相的概率较低，且由于两者之间具有多重非共价作用，进一步消弱了海藻酸盐自身结晶区的形成，从而在宏观上表现出极高的可见光透过率(图2c)，有利于离子皮肤在光学信号传感过程中保持信号准确和稳定；(3)聚两性离子共聚物的引入赋予了水凝胶优异的普适粘附特性，其原理是水凝胶可通过离子-偶极、偶极-偶极等多重相互作用，与不同材料形成稳定且牢固的界面作用力，从而在离子皮肤与传感对象之间形成无缝隙整合，有利于提升传感信号的准确度和灵敏度(图2d,e)；(4)从拉伸性、透明度和粘附性三个维度考虑，这种水凝胶在综合性能方面具有显著的比较优势(图2f)；(5)由于水凝胶的制备原料均符合生物安全性要求，CCK-8细胞毒性(图2g)、细胞培养与活死染色(图2h)以及皮下埋植动物实验(图2i)等结果，均证实水凝胶具有优异的生物相容性。
图2：水凝胶的力学性(a,b)、透明性(c)、粘附性(d-f)和生物相容性(g-i)表征
富电性两性离子聚合物链的存在为电荷传递提供了通道，使得该水凝胶具有良好的离子电信号传输能力，其电导率可达0.39 S/m。在外应力(拉伸或压缩)作用下，离子导电网络发生形变，宏观上即表现出材料的电阻变化率随应变发生快速响应，其拉伸和压缩模式下的应力传感灵敏度最高可分别达3.26和7.34(图3a,b)，且材料在长达10000次的循环压缩测试中，表现出较为稳定的信号传感能力(图3c)。此外，温度也会影响离子导电网络的微观结构，水凝胶的电导率随温度上升而逐渐提高。该文首次尝试对柔性导电材料进行宽幅温度(2~70 ℃)下的高分辨率(数据点间隔为1/60 ℃)线性升温/降温(1℃/min)扫描，并同步记录材料的电阻变化率(图3d)。结果发现，经封装的水凝胶材料在2~40 ℃和40~70 ℃两个温度范围内，具有良好的线性响应规律，其温度传感灵敏度(定义为ΔR/R0)/ΔT)分别为0.69%/℃和2.39%/℃，与现有大多数柔性导电材料相比显著提升(图3e)。在此基础上，作者通过制作简单的应变传感器，实现了对人体关节弯曲(图4a)、脉搏跳动(图4b)和声带振动(图4c)等的实时监测，并通过包含LED灯指示器的简单电学回路(图d)，赋予了无生命机械臂仿皮肤的力/温度双重感知能力(图4e,f)。
(责任编辑：admin)
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