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江南大學(xué)陳明清/施冬健課題組 CEJ：適用于水環(huán)境下生理信號(hào)監(jiān)測的可拉伸、自粘附疏水共晶凝膠
2023-09-03  來源：高分子科技

  近年來，柔性導(dǎo)電凝膠在人體生命體征（例如呼吸頻率、心率和體、葡萄糖、乳酸和血氧指數(shù)等）持續(xù)監(jiān)測、仿生皮膚和人機(jī)交互等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。盡管導(dǎo)電凝膠目前得到了廣泛的研究，但其在復(fù)雜水環(huán)境下的耐久度仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。其原因在于導(dǎo)電凝膠在水中的不良膨脹以及其中電解質(zhì)在水中的擴(kuò)散造成的力學(xué)性能和電學(xué)性能衰減。這也極大地限制了其在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)具有優(yōu)異水下穩(wěn)定力學(xué)性能、電性能的導(dǎo)電凝膠對(duì)水下柔性器件的開發(fā)至關(guān)重要。


  基于此，江南大學(xué)的陳明清和施冬健研究團(tuán)隊(duì)采用多層級(jí)動(dòng)態(tài)相互作用方法開發(fā)出具有優(yōu)異水下穩(wěn)定力學(xué)性能及電學(xué)性能的強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性導(dǎo)電凝膠（HEG），以用于開發(fā)可穿戴應(yīng)變傳感器以及心電圖監(jiān)測電極。（圖1）該導(dǎo)電凝膠由丙烯酸六氟丁酯（HFBA）、丙烯酸異冰片酯（IBOA）以及疏水低共熔溶劑（DES）制備所得。其中研究人員首先制備出由四丁基四氟硼酸銨(N4444BF4)與三氟乙酰胺(TFA)組成的新型含氟疏水低共熔溶劑(DES)，隨后所制得共晶凝膠展現(xiàn)出高透明度（>93%）、高拉伸性（1780%），強(qiáng)水下自粘性（500 kPa）、不同環(huán)境強(qiáng)穩(wěn)定性（空氣30-90 RH%和10-50oC，水下 pH 1-14、0.1M NaCl）、高傳感靈敏度和優(yōu)異的生物相容性（>95%）。共晶凝膠可進(jìn)一步集成到應(yīng)變傳感或心電圖傳感系統(tǒng)中，有望作為一種高效耐用的可穿戴心電設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測水下運(yùn)動(dòng)員的身體狀態(tài)。


 圖1 HEG的制備及水下運(yùn)動(dòng)、心電圖應(yīng)用


 圖2 HEG的力學(xué)性能及其中相互作用力


  研究人員通過調(diào)整單體HFBA與IBOA間比例以及電解質(zhì)含量，能夠?qū)崿F(xiàn)共晶凝膠力學(xué)性能的可控調(diào)節(jié)。此外，研究人員使用溫度微擾二維紅外光譜，核磁共振譜（19F NMR）等探明了HEG中存在的相互作用力，發(fā)現(xiàn)其中存在大量的偶極-離子相互作用力以及氫鍵相互作用力。（圖2） 


圖3 HEG的環(huán)境耐受性以及水下粘附性能


  如圖3所示，通過選用疏水聚合物網(wǎng)絡(luò)與疏水電解質(zhì)的組合，HEG凝膠在不同pH值溶液以及鹽溶液中展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。除此以外，凝膠表面豐富的官能團(tuán)，不僅為HEG凝膠提供破除基材表面水合層的能力，而且賦予其強(qiáng)且穩(wěn)定的水下粘附性能。 


圖4 HEG用于運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)測不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 


圖5 水下ECG及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測


  該研究工作最近以“Stretchable and hydrophobic eutectogel for underwater human health monitoring based on hierarchical dynamic interactions”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院博士研究生杜德焰，通訊作者為江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院陳明清教授和施冬健教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)等項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145704

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