焦體峰教授課題組CRPS：通過生物礦化鈣離子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計超拉伸、自黏附水凝膠用于高靈敏離子電子傳感器
第一作者：柏佳慧
通訊作者：秦志輝、焦體峰
通訊單位：燕山大學環(huán)境與化學工程學院
研究背景：
離子傳輸是生物體內(nèi)廣泛存在的現(xiàn)象，對生理活動如肌肉收縮及神經(jīng)刺激信號傳導(dǎo)有著至關(guān)重要的作用。受生物系統(tǒng)中離子傳輸?shù)膯l(fā)，基于軟離子導(dǎo)體的離子電子傳感器因其仿生傳感能力而得到廣泛開發(fā)，擴展了下一代類皮膚傳感器的選擇。最近，各種具有機械順應(yīng)性和導(dǎo)電性的離子導(dǎo)體，如水凝膠、離子凝膠和離子彈性體，已被開發(fā)用于離子電子傳感器。其中，含有可移動離子的水凝膠因其固有的透明性、可拉伸性和生物相容性等優(yōu)點，被認為是用于制備離子電子傳感器理想材料。然而，水凝膠較差的力學性能和黏附性嚴重限制了其在可穿戴離子電子傳感器中的應(yīng)用。通過簡單有效的策略設(shè)計同時具有高拉伸性、高導(dǎo)電性和自黏附的離子導(dǎo)電水凝膠一直是該領(lǐng)域的研究重點和極大挑戰(zhàn)。
成果簡介：
燕山大學焦體峰教授課題組通過使用生物礦物質(zhì)鈣離子調(diào)節(jié)聚丙烯酰胺-羧甲基纖維素鈉（PAM-CMC）水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了一種集高強度、高拉伸性于一體的新型透明和高離子導(dǎo)電水凝膠。所得水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，如高拉伸強度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%)和保形柔軟度(彈性模量13.55 kPa)。同時，該水凝膠還有具有高電導(dǎo)率（1.4 S·m-1）和很強的粘附性。這些優(yōu)異的性能使得基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，具有快速響應(yīng)和出色的穩(wěn)定性，可用來檢測人體運動、生理信號和復(fù)雜的手勢語言。該研究成果在線發(fā)表于Cell出版社期刊Cell Reports Physical Science。
文章要點：
作者通過利用Ca2+調(diào)節(jié)鏈間相互作用和形成金屬螯合鍵，大大提高了(PAM-CMC)/Ca水凝膠的機械性能。所獲得的（PAM-CMC）/Ca 水凝膠具有廣泛的優(yōu)異機械性能，例如高拉伸性和強度以及強大的彈性。同時，Ca2+的存在有效調(diào)節(jié)了水凝膠內(nèi)聚力和界面作用，賦予其強的自粘性和高導(dǎo)電性。這種水凝膠集多種功能于一身。
這些優(yōu)異的性能使基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，具有快速響應(yīng)和出色穩(wěn)定性.此外，水凝膠與不同基質(zhì)表現(xiàn)出很強的粘附性，這使其有望以高穩(wěn)定性檢測人體運動、生理信號和復(fù)雜的手勢語言。我們預(yù)計這些水凝膠可用作離子電子傳感器，在先進的傳感設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。
小結(jié)
該研究通過使用生物礦物質(zhì)鈣離子調(diào)節(jié)水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備了具有高拉伸強度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%) 和保形柔軟度(彈性模量 13.55 kPa)、高電導(dǎo)率（1.4 S·m-1）以及自粘附性的多功能水凝膠，基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力變化高度敏感，有望在先進的傳感設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。
