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  最近，廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、廣東省節(jié)能環(huán)保精細(xì)化學(xué)品工程技術(shù)研究開發(fā)中心劉鵬副教授所在團(tuán)隊以純淀粉為基材，構(gòu)建了透明柔韌、價格低廉、生物相容性好的柔性傳感材料。相關(guān)工作以Facile Preparation of Eco-Friendly, Flexible Starch-Based Materials with Ionic Conductivity and Strain-Responsiveness為題，作為封面文章發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering。廣州大學(xué)劉鵬副教授為論文第一作者，廣州大學(xué)汪黎明教授和英國華威大學(xué)謝豐蔚研究員為共同通訊作者，廣州大學(xué)碩士研究生馬聰和李穎是論文的共同作者。

  柔性傳感材料可以與人體緊密貼合,具有柔韌的機(jī)械靈活性，能通過彎曲和拉伸來適應(yīng)身體運(yùn)動，并產(chǎn)生電信號響應(yīng)，為穿戴者提供實時監(jiān)測信息。其應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、云空間等技術(shù)中，可保證人體健康數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實時性，從而為用戶的健康生活提供保障，在醫(yī)療、健康、運(yùn)動領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用潛力。為提高傳感材料與人體的生物相容性，學(xué)者們主要以海藻酸鈉、纖維素、殼聚糖、淀粉等天然高分子物質(zhì)為基材，設(shè)計制備柔性導(dǎo)電水凝膠。其中淀粉以其低廉的價格而備受關(guān)注。

  但淀粉分子的束水能力弱，導(dǎo)致淀粉凝膠中水分含量低，不利于電活性物質(zhì)的遷移，凝膠的導(dǎo)電性和傳感能力弱。而提高凝膠中的水分含量，又會導(dǎo)致凝膠難以成型，只能以粘稠的糊狀物存在，不具備機(jī)械性能。

  針對上述問題，課題組在前期發(fā)現(xiàn)的無機(jī)鹽溶液能解構(gòu)高直鏈淀粉顆粒的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種簡便、低能耗、綠色的淀粉基柔性導(dǎo)電水凝膠的加工方法：將一定濃度的氯化鈣溶液與高直鏈淀粉混合，80℃加熱5分鐘，冷卻后即可得到透明、柔韌、具有刺激響應(yīng)性能、且生物相容好的柔性傳感材料。整個工藝過程無三廢排放。凝膠體系中，鹽離子與淀粉分子形成的配合物加強(qiáng)了淀粉凝膠的網(wǎng)絡(luò)體系和束水能力，提高凝膠的水分含量，從而為電活性物質(zhì)提了供遷移的通道。同時未參與形成配合物的鹽離子，又是自由的電活性物質(zhì)。當(dāng)外加電場后，可在凝膠體系中定向遷移，實現(xiàn)導(dǎo)電。而當(dāng)材料受外力作用發(fā)生形變時，離子的遷移通道發(fā)生變化，從而影響導(dǎo)電性能，產(chǎn)生傳感信號。

圖1 透明、生物相容性好、可擠出成型的淀粉基柔性導(dǎo)電材料

  利用此工藝制備的淀粉基柔性傳感材料，擁有良好的導(dǎo)電性、機(jī)械性和靈敏的刺激響應(yīng)性：材料電導(dǎo)率3.7–9.2 Ω·m，與常規(guī)傳感材料相當(dāng)；楊氏模量4–9 MPa，拉伸強(qiáng)度500–1300 KPa，斷裂伸長率15-32%，與聚二甲硅氧烷（PDMS）基材相當(dāng)；材料可對拉伸、壓縮導(dǎo)致的應(yīng)變產(chǎn)生電信號響應(yīng)，且當(dāng)應(yīng)變僅為1%，就可產(chǎn)生顯著的電信號變化，能滿足可穿戴設(shè)備的使用需求。而更為重要的是，材料的生物相容性良好，金魚吞食后不會產(chǎn)生明顯的不良反應(yīng)。此外，該材料在冷卻成型前的熱糊狀態(tài)下具有一定的流動性和擠出成型性，可用于3D打印。

圖2 淀粉基傳感材料的刺激響應(yīng)性及實際傳感測試

  上述研究成果，構(gòu)建了一種淀粉基柔性導(dǎo)電材料的便捷制備方法，拓展了淀粉在柔性傳感材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。以淀粉為基材可以設(shè)計出一系列生物相容性好、價格低廉的柔性傳感材料。

  課題組的系列工作發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers等學(xué)術(shù)期刊。該研究獲得了廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計劃項目（珠江科技新星專項）等項目的資助。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07473

  https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726

  https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034