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山東大學譚業邦教授團隊 CEJ：金字塔結構與超分子相互作用協同構筑的雙層水凝膠 - 用于穩定的運動傳感器和人機界面

2023-06-03 來源：高分子科技

近年來，為了滿足隨著人機交互領域的蓬勃發展所帶來的產品需求，用于代替一體化水凝膠的雙層水凝膠應運而來。然而，通過一般方法構筑的雙層水凝膠的界面穩定性和安全粘附能力受到了極大的挑戰，不足以滿足復雜環境中的信號接收和傳輸需求。

近日，受具有良好動態性、穩定性的超分子相互作用與廣泛用于壓力傳感器的金字塔結構啟發，山東大學譚業邦等人在前期實驗的基礎上（Journal of Materials Chemistry C 2022, 10 (20),8077-8088. Carbohydrate Polymers 2022, 295,119890.）合理調控水凝膠的設計模型和構筑因子，通過層層聚合策略制備了具有穩固接觸界面和綜合性能的雙層水凝膠以應對相關缺陷。十二烷基硫酸鈉膠束和甲基丙烯酸十四酯之間的疏水締合作用賦予了含有金字塔結構的導電層水凝膠良好的交聯網絡和非粘附性能。丙烯酰化葫蘆[7]脲和大量氫鍵賦予了粘附層水凝膠優秀的安全粘附能力。在兩層凝膠間形成的金字塔類榫卯結構的協同下，氫鍵和主客體作用前所未有地穩定了雙層水凝膠界面處的接觸能力，極大地提高了雙層水凝膠在運動傳感、人機交互領域中的應用潛力。

圖片摘要

圖1. (a) A_xC_y雙層水凝膠制備示意圖；(b)水凝膠中的聚合物網絡示意圖；(c)雙層水凝膠界面處的主-客體相互作用和導電層水凝膠中的疏水相互作用。

圖2. 雙層水凝膠的示意圖及力學性質。

金字塔結構大大提高了雙層水凝膠接觸界面處的穩定性，兩層凝膠間的界面粘附能是平面結構的15.6倍。

圖3. 雙層水凝膠的粘附機理及粘附表現。

揭示了葫蘆[7]脲對粘附層水凝膠的增粘機理：可聚合且空腔不被占據的葫蘆[7]脲可以提高水凝膠的粘附能力。基于葫蘆[7]脲的粘附層水凝膠對各種基底具有良好的粘附能力。

圖4. 粘附層水凝膠的生物相容性。

通過三種細胞的毒性實驗驗證了粘附層水凝膠的生物相容性，以用于安全的人機界面。

圖5. 雙層水凝膠用于人體運動感知。

此種雙層水凝膠同時具備橫向、縱向導電的能力，可以橫向應用于應變傳感器；縱向應用于凝膠電極以監測生理信號。

圖6. 雙層水凝膠用于監測生理信號。

相關成果以“Pyramid structure-inspired biocompatible bilayer hydrogel based on supramolecular interactions for stable human-machine interface”為題發表在Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2023.143354）上。山東大學化學與化工學院博士研究生王程昱為本論文的第一作者，通訊作者為山東大學化學與化工學院譚業邦教授。感謝國家自然科學基金（21374045）的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143354

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（責任編輯：xu）

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