华南理工大学和威斯康星大学在柔性水凝胶传感器方向取得新进展

高分子科学前沿 高分子科学前沿 2018-06-15

近年来,仿真人体皮肤的柔性可穿戴设备受到了广泛的关注,有望应用于未来的软体机器人,可穿戴电子器件,外科修复,以及人工智能等领域。于此同时,对柔性传感器也提出了诸如:生物相容性、可拉伸性、自修复能力、自粘附性能、导电性能等更多的要求。

基于此,华南理工大学米皓阳经鑫与美国威斯康星大学Lih-Sheng Turng教授合作开展了一系列生物相容性功能化复合水凝胶的研究。受到自然界贻贝性能的启发,该团队基于多巴胺,系统的研究了层状结构填料氧化石墨烯、滑石粉对多巴胺的自聚合性能的影响并采用简单的工艺制备出了一系列具有良好生物相容性、超长拉伸性、自粘附性能和自修复性能的柔性传感器。相关成果分别发表在CarbonACS Applied Materials & Interfaces杂志上,该系列研究的第一作者为华南理工大学/美国威斯康星大学联合培养博士后经鑫,通讯作者为华南理工大学米皓阳和美国威斯康星大学Lih-Sheng Turng教授

多巴胺具有良好的生物相容性,可以用来还原氧化石墨烯并可提高其在水凝胶溶液中的分散能力,制备出的具有可注射性且可自修复的复合材料水凝胶导电率可达到1.22 mS/cm,并且心肌细胞在该水凝胶提取物中的跳动频率可达到每分钟54次。该项研究发表于Carbon (2017, 125:557-570)。

图1. 壳聚糖/氧化石墨烯复合材料水凝胶的制备流程示意图及其自修复、自粘附、导电性的机理分析。

基于多巴胺自聚合反应对氧化石墨烯的还原行为,该研究团队通过采用物理交联和化学交联协同作用,进一步制备出了具有超长拉伸性能和良好自修复能力的聚丙烯酸/氧化石墨烯复合材料水凝胶传感器,可以成功检测人体手、肘及腿部关节的运动,且自修复后传感性能保持良好。该项研究发表于Carbon (2018, 136: 63-72)。

图2. 聚丙烯酸/氧化石墨烯复合材料水凝胶传感器对不同运动(a,d,g)的传感性能(b,e,h)及水凝胶自修复后的传感性能(c,f,i)。

此外,该研究团队在采用层状结构的滑石粉作为添加材料的研究中发现滑石粉的层状结构可以对多巴胺中的儿茶酚基团起到很好的保护作用,进而制备出了集超长拉伸性、自粘附性、自愈合性能、生物相容性和导电性能于一体的多功能复合材料水凝胶传感器,该粘附型传感器将为可穿戴型传感器在生物医用设备中的研究提供新思路。该项成果近期发表于ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.8b06475)。

图3. 制备的聚丙烯酰胺/滑石粉/多巴胺多功能复合材料水凝胶集成了自粘附性、生物相容性、自修复性、可拉伸回复性、导电性和传感性能于一体。

 

参考文献:

1. X. Jing, H.Y. Mi, B. N. Napiwocki, X. F.Peng, L. S. Turng. Mussel-inspired electroactive chitosan/graphene oxidecomposite hydrogel with rapid self-healing and recovery behavior for tissueengineering. Carbon. 2017, 125: 557-570

2. X.Jing, H.Y. Mi, X.F. Peng, L.S. Turng, Biocompatible, Self-Healing, HighlyStretchable Polyacrylic Acid/Reduced Graphene Oxide Nanocomposite Hydrogel Sensors via Mussel-Inspired Chemistry. Carbon. 2018, 136:63-72

3. X. Jing, H.Y. Mi, Y. J. Lin, E. Enriquez ,X.F. Peng, L.S. Turng, Highly Stretchable and Biocompatible Strain SensorsBased on Mussel-Inspired Super-Adhesive Self-Healing Hydrogels for Human MotionMonitoring. ACS Applied MaterialsInterfaces. DOI: 10.1021/acsami.8b06475

来源:高分子科学前沿

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