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  水凝膠因其獨特的物理化學性質(zhì)，如優(yōu)異的粘附性、高含水性、類組織的粘彈性、良好的生物相容性和可調(diào)節(jié)的機械性能，在多種基材界面黏附、柔性可穿戴離子/電子設備、軟機器人、組織工程和3D打印材料等領域展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。然而，現(xiàn)有的水凝膠材料在實際應用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如粘附性能不足、環(huán)境適應性差和循環(huán)穩(wěn)定性有限。因此，開發(fā)同時具有上述優(yōu)異性能的水凝膠材料仍具有較大挑戰(zhàn)。

  日前，西南林業(yè)大學杜官本院士、楊龍研究員團隊通過仿生策略，在殼聚糖（CS）鏈上接枝左旋多巴按（L-DOPA），得到接枝改性的殼聚糖-左旋多巴胺（CS-DOPA），提高了殼聚糖的分散性的同時賦予其粘附性。隨后利用殼聚糖在酸性條件下才能溶解的性質(zhì)，在體系中引入丙烯酸(AA)，通過Zn²⁺與殼聚糖-左旋多巴胺上的酚羥基交聯(lián)形成第一網(wǎng)絡，再將丙烯酸單體聚合得到PAA/CS-DOPA/Zn²⁺ (PCDZ) 雙網(wǎng)絡導電水凝膠。在這個過程中，AA的加入不僅為CS-DOPA的溶解創(chuàng)造了酸性環(huán)境，而且由于CS-DOPA和PAA之間形成氫鍵以及CS-DOPA和PAA與Zn²⁺之間的超分子相互作用，賦予PCDZ水凝膠良好的機械性能。此外，CS-DOPA不僅保留了殼聚糖的優(yōu)良生物相容性，且通過L-DOPA的引入顯著提升了水凝膠的自黏附性，使其能夠緊密粘附在各種基材表面。此外，Zn²⁺的存在賦予水凝膠良好的電導率（0.88 S/m）、傳感性能、優(yōu)異的靈敏度、卓越的循環(huán)穩(wěn)定性和可重復性，從而能夠?qū)崟r精確監(jiān)測細微運動，例如人體關節(jié)角度和速度的變化、皺眉、吞咽等小幅度運動。這些優(yōu)勢使PCDZ水凝膠成為柔性傳感器的潛在候選材料。

圖1 (a) CS-DOPA的制備。(b-d) CS-DOPA的XPS分析。(e) PCDZ水凝膠的合成示意圖。(f) PAA水凝膠（左）和PCDZ水凝膠（右）的SEM圖像。

圖2 (a)不同CS-DOPA含量的PCDZ水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(b)水凝膠在200%應變下連續(xù)50個循環(huán)的加載-卸載曲線。(c) PCDZ水凝膠在50個連續(xù)加載-卸載循環(huán)過程中耗散的能量。(d)測量剪切強度的裝置和水凝膠粘附機制示意圖。(e)不同 CS-DOPA 含量下水凝膠對鋁的粘附強度。(f)水凝膠在不同基底上的粘附演示。(g)水凝膠在不同基底上的剪切粘附強度。(h)當PCDZ分別用于黏附豬皮、金屬和木材時，與之前報道的工作相比，PCDZ顯示出更優(yōu)越的粘合能力。(i)連續(xù)5次粘合-剝離循環(huán)中水凝膠與鋁的粘合強度。

圖3 不同CS-DOPA質(zhì)量比（a）、濕度水平（b）和溫度（c）下的奈奎斯特圖。(d)從0%應變到200%應變的漸進應變-卸載相對電阻變化。(e)水凝膠在970%應變范圍內(nèi)的測量系數(shù)。(f)該水凝膠的GF值與其他報道的導電水凝膠的比較。(g)在不同拉伸率（40 至 320 -1 ）下，100%循環(huán)加載-卸載應變的相對電阻變化。(h)水凝膠在30%、60%、90%和120%不同應變下循環(huán)過程中的相對電阻變化。(i)柔性傳感器在經(jīng)歷590次拉伸至400%應變循環(huán)后的實時電阻變化。

  PCDZ水凝膠傳感器對指關節(jié)、腕關節(jié)和肘關節(jié)的運動反應良好，能有效檢測指關節(jié)、腕關節(jié)和肘關節(jié)的彎曲。此外，它還可以貼在膝關節(jié)上監(jiān)測行走和跑步運動，通過實時調(diào)整不同頻率的阻力變化來跟蹤運動速度的變化。更重要的是，PCDZ水凝膠傳感器還能準確檢測細微的肌肉動作，如皺眉和吞咽，并產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號。

圖4.使用基于導電水凝膠的柔性傳感器實時監(jiān)測人體的大幅度運動和生理信號。(a) 手指彎曲、(b)手腕彎曲、(c)肘部運動、(d)膝部行走步態(tài)測量、(e)吞咽喉嚨和(f)皺眉時的實時電阻信號。

  最終結(jié)論，該研究所制備的PAA/CS-DOPA/Zn²⁺水凝膠具有良好的機械性能、高粘附力和電化學性能，可以作為有效的應變傳感器用于人體運動監(jiān)測，展示了其在可穿戴設備和人機交互領域的應用潛力。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta05331a