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BEBC在环境自适应型水凝胶柔
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BEBC在环境自适应型水凝胶柔性电子领域取得研究进展并被选为封面

2021-05-22 20:16:08      点击:

近些年,各种水凝胶材料逐渐被应用于柔性可穿戴电子的基底材料研究,其良好的生物相容性与近似人体皮肤的力学性质进一步提升了柔性电子的友好用户体验,水凝胶柔性电子器件展现出用于长期健康监测的巨大潜力。不过,在长期监测过程中,柔性器件可能面临多种不断变化、甚至极端的环境条件(如温度或湿度),致使其结构、功能受损,影响其工作的稳定性,从而限制其在多种环境中的实际应用。


为解决水凝胶柔性电子器件在高温、低温环境下,由于材料内部水分蒸发、冰冻导致的器件结构变形、功能失效的问题,近日,仿生工程与生物力学研究所(BEBC)研究人员提出了通过在凝胶网络中引入小分子有机溶剂并对其进行功能化修饰、从而实现器件环境自适应的方法。此方法显著提升了器件的抗冻、耐高温以及湿黏附性能,为拓展柔性器件的应用场景提供技术支撑。相关研究以《Environmentally Compatible Wearable Electronics Based on Ionically Conductive Organohydrogels for Health Monitoring with Thermal Compatibility, Anti-dehydration, and Underwater Adhesion》为题发表于国际期刊Small上并被选为封面。


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该工作通过在丙烯酸/明胶双网络水凝胶中引入水/甘油双溶剂,利用甘油与水分子之间的氢键作用,一方面降低体系的凝固点,从而抑制冰晶的形成,实现了器件在低温下的自适应性;另一方面阻碍了水分蒸发,实现其在高温以及长期使用过程中的自适应性。并且通过在丙烯酸链上接枝N-羟基琥珀酰亚胺酯基,显著提升器件的湿黏附性能。此外,通过将该有机凝胶浸泡在离子溶液中,优化了凝胶的离子导电性。

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最后,以应变传感器为例,对其灵敏度、耐疲劳性以及响应时间进行了测试,并将该离子导电有机凝胶贴附于机械臂手指关节处,实现了多种环境(水下、低温与高温)中对于不同大小物体的抓握传感。

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此方法通过引入丙三醇-水双溶剂体系,实现了有机凝胶温度自适应,提升了材料的抗冻(-80℃)和耐高温(60℃)性能;针对高湿度环境中,界面水分导致的水凝胶器件与皮肤之间黏附较弱的问题,通过向凝胶骨架接枝N-羟基丁二酰亚胺酯(NHS)基团,在器件与皮肤之间形成稳固的共价键合,提升器件在高湿度环境下的皮肤黏附性,从而大大拓展了水凝胶柔性电子器件的应用。

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该研究工作第一作者为BEBC博士生牛艳与助理教授刘灏博士,通讯作者为BEBC徐峰教授,参与本工作的共同作者有BEBC博士生何榕晏、罗美青以及西安交通大学第一附属医院整形美容与颌面外科主任医师舒茂国教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和陕西省科技创新团队项目的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202101151