【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在極端環(huán)境里，柔性傳感器這類新興科技能大大拓展人類感知信息的邊界，成為守護安全的 “科技護盾”。而柔性傳感器中，水凝膠傳感器憑借其出色的柔韌性、可調(diào)制的物化性能和穩(wěn)定的生物兼容性，能夠可靠地將外界的拉伸、壓力、溫度等變化轉(zhuǎn)換為可被探測的信號，從而實現(xiàn)運動監(jiān)測、人機交互等多種有效的應用。然而，常規(guī)的水凝膠傳感器在面臨極端環(huán)境帶來的高溫、高鹽、極寒等惡劣條件時，由于其內(nèi)部大量可脫出的“自由水”和稀疏的聚合物鏈交聯(lián)，往往會發(fā)生脫水、斷裂等問題，從而導致其性能的下降和失效。
為了匹配極端環(huán)境使用需求，水凝膠傳感器往往需要同時兼具傳感性能、環(huán)境耐受性和生物相容性；而例如高濃度鹽溶液強化等策略往往會在單一指標提升(如機械強度)的同時，引入新的干擾因素(如高濃度離子帶來的高滲透壓)，造成其它性能(如生物相容性)的下降。因此，如何在保證綜合性能不受到損害的前提下，實現(xiàn)對水凝膠性能的高效調(diào)制增強，是當前研究亟需解決的問題。
復旦大學未來信息創(chuàng)新學院張榮君教授團隊和復旦大學附屬口腔醫(yī)院韋曉玲主任團隊研發(fā)成功用于極端環(huán)境和多維感知的水凝膠傳感器。近日，相關(guān)研究成果以“Bamboo-Basket-Inspired Stepwise Modulated Hydrogel for Multifunctional and Extreme-Environment Sensing”為題發(fā)表于國際期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。
團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，竹籃具備非常出色的功能性，而這種功能性不僅來自于竹條自身的多組分集成，也來自于竹籃獨特的編織過程——先將雜亂的竹條分散，挑選編織成一個基本的框架，再將竹條纏繞在框架上，極其高效地構(gòu)建了均勻、致密交聯(lián)的竹籃，避免了由于局部竹條不均勻纏繞帶來的性能下降。受此啟發(fā)，團隊提出了一種水凝膠調(diào)制策略，就是將聚乙烯醇(PVA)、氧化羧甲基纖維素鈉(OCMC-Na)和明膠(Gel)多組分構(gòu)成的水凝膠中每個細小的微區(qū)視為“竹條”，先通過MgCl2的鹽溶效應削弱氫鍵，將“竹條”分散；再利用定向冷凍構(gòu)建稀疏交聯(lián)的“框架”；最后通過Na3C6H5O7的鹽析效應將框架纏繞形成“竹籃”般均勻、致密交聯(lián)的PCG-x水凝膠。
圖1 (a)傳統(tǒng)定向冷凍構(gòu)建策略存在的問題示意圖；(b)“竹籃”啟發(fā)的構(gòu)建策略示意圖
得益于高效的調(diào)制效率，該策略允許在生物相容的低離子鹽濃度下實現(xiàn)水凝膠的性能提升，從而完美匹配極端環(huán)境下的使用需求。在該策略下，制備的PCG-0.5水凝膠在739%應變下展現(xiàn)出4.9 MPa的機械強度，能夠識別應變、壓力和溫度的變化，并且能夠在60 ℃的高溫、-75 ℃的超低溫以及海水環(huán)境下實現(xiàn)有效的應變傳感；同時，實驗表明在生物體內(nèi)植入4周后依舊展現(xiàn)出優(yōu)異的相容性。研究基于CNN模型構(gòu)建了傳感信號的快速識別系統(tǒng)，并結(jié)合光譜和理論計算深度闡明了逐步氫鍵調(diào)制的詳細機制。
圖2 (a)極寒環(huán)境手勢交流示意圖；(b)極寒環(huán)境模擬測試示意圖；(c)基于CNN模型的信號處理過程
圖3 “竹籃”啟發(fā)水凝膠的綜合性能以及潛在應用示意圖
該團隊基于水凝膠傳感器極端環(huán)境不耐受、改性策略無法兼顧綜合性能的局限性，從竹籃編織的過程獲得啟發(fā)，提出了一種與竹籃編織類似的逐步氫鍵調(diào)制策略，高效實現(xiàn)了水凝膠傳感性能、環(huán)境耐受性和生物相容性的綜合增強。研究基于光譜手段對其氫鍵調(diào)制的機制進行了詳細的分析論述，為相關(guān)水凝膠的性能調(diào)控提供了全新的思路和充分的理論基礎(chǔ)；得益于簡單的制備策略和出色的綜合性能，研究亦有利于水凝膠傳感器走向進一步的體內(nèi)/體外監(jiān)測、人機交互等諸多領(lǐng)域的廣泛應用。
復旦大學未來信息創(chuàng)新學院2023級博士生方紹鈞和復旦大學附屬口腔醫(yī)院周強強醫(yī)生共同擔任文章第一作者，張榮君教授和韋曉玲主任共同擔任通訊作者。
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