Adv.Mater.：具有壓敏性、可延展性和可3D列印的仿生多功能導電自修復水凝膠

【引言】

導電自癒合（CSH）水凝膠作為一類新型仿生皮膚材料，因其在軟機器人、仿生假肢和健康監測體系等領域具有潛在應用價值，有望改變工業化進程的運行軌跡。目前已有的導電自癒合水凝膠均無法實現優異的導電性和自癒合性，又或者因力學性能較差受到一定的限制，而解決這一問題的一條途徑就是建立起化學和物理交聯網路之間的平衡。

【成果簡介】

近日，加拿大曼尼托巴大學的Malcolm Xing教授和重慶第三軍醫大學的羅高興教授（共同通訊作者）等人基於物理和化學交聯網路製備了具有力學性能和導電性能可癒合的水凝膠。其固有的自發性自修復是通過聚丙烯酸與鐵離子之間的動態離子相互作用實現的。其中共價交聯用來提高水凝膠的力學性能。建立化學和物理交聯網路之間的平衡以及聚吡咯網路的導電納米結構，使得該雙網路水凝膠具有導電性、力學和電性能可自癒合性（2min回復100%力學性能）、超延展性（1500%）和壓力敏感性。CSH水凝膠的實際應用潛力通過人體動態監測和3D列印性能得到了進一步的驗證。該成果以「Skin-Inspired Multifunctional Autonomic-Intrinsic Conductive Self-Healing Hydrogels with Pressure Sensitivity, Stretchability, and 3D Printability」為題於2017年6月22日發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 水凝膠的自癒合性能和流變性能測試

a）水凝膠被切成兩半然後再接在一起；每30s記錄一次水凝膠的變化；

b）切斷之後的癒合機理示意圖；

c）自癒合效率（切割前和癒合後的應變比）（樣品呈直徑為8mm，長度為1cm的棒狀）；

d）切割後電性能的恢復能力，30s時恢復90%，1min後恢復96%；

e）儲能模量和損耗模量與頻率的關係（1%應變）；

f）儲能模量和損耗模量與振幅的關係，角頻率為1 rad s-1；

g）小振幅（1%應變）和大振幅（500%應變）連續交替振蕩下的G』和G』』，角頻率為10 rad s-1。

圖2 不同N,N″-亞甲基雙丙烯醯胺（MBAA）含量下的水凝膠拉伸試驗和SEM照片

a）長15mm，寬5mm，厚1mm的水凝膠樣品拉伸前（左）和拉伸到1500%後（右）的照片；

b）不同共價交聯劑含量下的水凝膠拉伸應力-應變曲線（拉伸速度10mm min-1）；

c）不同共價交聯劑含量下的水凝膠壓縮應力-應變曲線和楊氏模量（測試速度為1mm min-1）；

d）壓縮彈性模量（E）;

水凝膠的SEM照片：e）MBAA含量為25%，f）30%，g）35%。

圖3 水凝膠在受到壓縮載荷時的電阻變化

a）電導率與壓縮強度的關係曲線；

b）由LED燈泡和水凝膠組成的完整電路，LED燈的明暗程度表明水凝膠對壓力具有響應性；

c）循環壓縮引起水凝膠的電阻變化，水凝膠的長度在原始長度的25%和50%之間交替變化（樣品長度為10mm，直徑為8mm，測試速度為20mm min-1）。

圖4 3D列印的表徵、製備及應用

a）剪切變稀行為；

b）基於CSH水凝膠的3D列印可穿戴感測器的製備；

c）使用智能手機和3D列印的CSH可穿戴柔性感測器對人體運動進行實時監測；

d）CSH水凝膠條（左）和3D列印感測器（右）貼在食指上，當手指從0°到20°、45°和90°反覆彎曲和伸直時發生的電阻變化。

【小結】

這項研究通過結合物理交聯和化學交聯，在保證水凝膠的力學穩定性和導電性的基礎上（2min即可實現機械性能的完全恢復，30s內恢復90%的導電性），實現了其最高效率的自修復行為。並且該水凝膠所具有的在損傷後的自發性自修復性能和剪切變稀行為使其可以用於3D列印材料。聚吡咯的導電納米結構為應變和壓力感測裝置提供了新的應用。該CSH水凝膠能夠實現對人體的呼吸、脈搏和肌肉運動的實時電阻監測。

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材料人

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