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齊魯工大于得海、劉溫霞 Carbohyd. Polym.：TEMPO細菌纖維素/MXene納米片水凝膠用于智能穿戴式人機交互

2023-12-08 來源：高分子科技

近年來，水凝膠由于其良好的柔韌性、可穿戴性、生物相容性以及信息捕獲的高精確性，被認為在智能可穿戴電子器件以及人機交互方面具有重大應用前景。然而，將水凝膠用于柔性可穿戴電子器件就對水凝膠提出了較高的要求：電化學穩定性、寬耐受溫度、一定的保水性和強有力的機械性能使其在多場景的環境條件下提供穩定的電信號傳遞。

針對上述問題，齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室于得海、劉溫霞團隊提出了一種MXene/TEMPO細菌纖維素（TOBC）體系雙網絡水凝膠。通過溶劑置換，水凝膠具有寬溫度耐受性（-20-60℃）和穩定的機械性能。大量氫鍵、MXene/TOBC動態三維網絡體系以及膠束作用賦予了水凝膠優異的機械性能（斷裂伸長率~2800%，斷裂強度~420 kPa）和自愈合能力。單寧酸的引入阻止了MXene的氧化和水凝膠電氣性能的損失。此外，傳感器還可以快速（74 ms）靈敏的（gauge factor = 15.65）無線監測人體運動，其生物相容性可以很好的避免與人體接觸時產生的刺激。這一系列研究工作揭示了基于可自愈、良好的細胞相容性、高靈敏度、寬耐受溫度和耐久性的MXene類柔性可穿戴電子器件構效機制，以及在智能可穿戴、無線監測、人機交互等方面顯示出巨大應用潛力。

圖1. 水凝膠的合成路線和性質應用示意圖

圖2. PBMG水凝膠的機械柔韌性和結構分析。

圖3. 優化PBMG水凝膠的機械性能。

圖4. 抗凍和耐干燥。

圖5. PB_0.4M_0.2G水凝膠在不同的應變和溫度條件下的傳感行為。

圖6. 水凝膠傳感器用于監測人體運動。

圖7. 柔性電子設備的外部信號檢測、遠程監控、人機交互功能。

在這項工作開發了一種耐溫性、耐久性、可自愈、導電、高拉伸的MXene類柔性電子器件，用于智能可穿戴人機交互。這一開發是通過溶劑置換法將甘油-水二元溶劑引入MXene/TOBC體系雙網絡水凝膠中實現的。MXene的存在使水凝膠具有了很好的導電性。同時，MXene/TOBC動態三維網絡以及大量的氫鍵賦予了水凝膠超強的拉伸性（~2800%）。由于水和甘油之間形成的強氫鍵相互作用以及水凝膠物理構造，水分子的流失（高溫下）和冰晶（低溫下）的形成得到了有效抑制，產生了較好的耐溫性能（-20-60℃）。基于該MXene類柔性可穿戴電子器件優越的綜合性能，使其在電子皮膚、無線監測、智能人機交互等方面顯示出巨大的應用潛力。相關工作成果以《TEMPO bacterial cellulose and MXene nanosheets synergistically promote tough hydrogels for intelligent wearable human-machine interaction》發表在Carbohydrate Polymers上，齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗碩士研究生董寶亭為第一作者，于得海副教授為通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121621

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（責任編輯：xu）

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