长春工业大学高光辉:生物基水凝胶传感器,用于测量具有稳定附着力和超高韧性的人体运动

2021-05-17 16:55:22 高分子材料科学

【科研摘要】

适应性可以满足基本的技术应用要求。因此,迫切需要具有持久的粘合性,超高的韧性和超弹性的水凝胶基换能器。最近, 长春工业大学 高光辉教授 团队 通过将 羧甲基壳聚糖和酪蛋白酸钠引入聚丙烯酰胺水凝胶体系中,成功制备了皮肤状水凝胶传感器

另外,聚丙烯酰胺 -酪蛋白钠-羧甲基壳聚糖钠(PAAM-SC-CC)水凝胶具有很强的机械性能和出色的机械柔韧性,这在很大程度上归功于足够的能量耗散机理。 出人意料的是,PAAM-SC-CC水凝胶对各种固体基质和人体皮肤均表现出稳定且可重现的粘合力。由于酪蛋白酸钠驱动的大量游离离子,PAAM-SC-CC水凝胶可以保持稳 定而灵敏的离子电导率,而无需添加其他填料 。

实验证明,它可以应用于复杂信号的人体运动监控领域。因此, PAAM-SC-CC水凝胶传感器可以监测人体在不同应变范围内的运动,包括喉咙运动和关节伸展。可以想到具有各种特性的这种基于水凝胶的柔性换能器,以扩大生物电极,人机,个性化医疗健康领域等的应用领域。 相关论文以题为 Bio-Based Hydrogel Transducer for Measuring Human Motion with Stable Adhesion and Ultrahigh Toughness 发表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

【主图导读】

图 1. 与PAAM-SC-CC水凝胶有关的结构机理和应用显示。

图 2. (a)PAAM水凝胶,PAAM-SC水凝胶,PAAM-CC水凝胶和PAAM-SC-CC水凝胶的拉伸应力-应变曲线;(b,c)分别关于SC和CC的不同比率的拉伸应力-应变曲线;(d–f)分别对应(a),(b)和(c)的弹性模量和韧性。(g)中显示了PAAM-SC-CC水凝胶的拉伸性能。

图 3. (a,b)不同应变(200–1000%)的PAAM-SC-CC水凝胶的拉伸循环测试,并通过条形图表示应力和滞后的比较表示;(c,d)在1000%应变下,对PAAM-SC-CC水凝胶进行了10次连续的拉伸循环测试,并且显示了具有不同初始组分的水凝胶的拉伸循环性能的比较;(e)PAAM-SC-CC水凝胶具有很强的拉伸周期性能,该凝胶呈线状并随重量而摆动;(f,g)PAAM-SC-CC水凝胶在90%变形百分比下的十个压缩循环;(h)使用质地分析仪测试的PAAM-SC-CC的压缩循环性能;(i)施加 力 10分钟后,在20%应变下约10个连续循环的应力松弛曲线。

图 4. (a)具有各种初始组分的水凝胶的水平剥离强度对比;(b)比较水凝胶在其他基材上的剥离强度,这些基材包括木材,钛,玻璃,铝,硅橡胶,聚乙烯和聚四氟乙烯;(c)铝基体连续剥皮10次;(d)PAAM-SC-CC水凝胶对包括橡胶,玻璃,铁,塑料,硬纸板和PTFE在内的不同基材的粘附性表现;(e)PAAM-SC-CC水凝胶对塑料的粘合性能,该塑料在空气中粘附然后在水下放置;(f)将水凝胶贴在人体手臂上并手动剥离的示意图。

图 5. (a,b)与具有不同初始成分的水凝胶有关的流变应变扫描和频率扫描;(c)红外扫描光谱法涉及两种不同的生物基材料,即SC和CC以及它们的混合物;(d–f)PAAM-SC水凝胶,PAAM-CC水凝胶和PAAM-SC-CC水凝胶的SEM图像。

图 6. (a)不同水凝胶伸长率的LED亮度变化和恢复;(b)不同水凝胶组分的各种离子电导率;(c)电阻率随拉伸应变的变化而变化;(d,e)PAAM-SC-CC水凝胶在不同应变(1和10、20、30、40、50和100、200、300、400和500%)拉伸循环条件下的电性能;(f)在应变变化下水凝胶样品的电阻响应时间和恢复时间;(g)在50%应变下将PAAM-SC-CC水凝胶连续拉伸500个循环时观察到的电阻变化率,以及(h)从500到800 s的详细图表;(i)比较本作品与当代作品之间的反应时间 。

图 7. (a)E.C.G. 在PAAM-SC-CC水凝胶作为导电通道的情况下进行信号测试;可以跟踪和改变水凝胶的阻力变化,以响应人体相应的动作:(b)说“ A”和“谢谢”,(c)手指弯曲不同的角度,(d)咳嗽,(e )微笑和大笑;(f)手腕弯曲;(g)手腕摆动速度不同;(h)志愿者在地面上漫步。

参考文献 : doi.org/10.1021/acsami.1c05098

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