焦体峰教授课题组CRPS：通过生物矿化钙离子调控网络结构设计超拉伸、自黏附水凝胶用于高灵敏离子电子传感器

研究背景

离子传输是生物体内广泛存在的现象，对生理活动如肌肉收缩及神经刺激信号传导有着至关重要的作用。受生物系统中离子传输的启发，基于软离子导体的离子电子传感器因其仿生传感能力而得到广泛开发，扩展了下一代类皮肤传感器的选择。最近，各种具有机械顺应性和导电性的离子导体，如水凝胶、离子凝胶和离子弹性体，已被开发用于离子电子传感器。其中，含有可移动离子的水凝胶因其固有的透明性、可拉伸性和生物相容性等优点，被认为是用于制备离子电子传感器理想材料。然而，水凝胶较差的力学性能和黏附性严重限制了其在可穿戴离子电子传感器中的应用。通过简单有效的策略设计同时具有高拉伸性、高导电性和自黏附的离子导电水凝胶一直是该领域的研究重点和极大挑战。

成果简介

燕山大学焦体峰教授课题组通过使用生物矿物质钙离子调节聚丙烯酰胺-羧甲基纤维素钠（PAM-CMC）水凝胶的交联网络结构，制备了一种集高强度、高拉伸性和自黏附性于一体的新型透明和高离子导电水凝胶。所得水凝胶表现出优异的机械性能，如高拉伸强度(276 kPa)、极端拉伸性(1480%)和保形柔软度(弹性模量13.55 kPa)。同时，该水凝胶还有具有高电导率（1.4 S·m^-1）和很强的粘附性。这些优异的性能使得基于该水凝胶的传感器对宽传感范围内的应变和应力变化高度敏感，具有快速响应和出色的稳定性，可用来检测人体运动、生理信号和复杂的手势语言。该研究成果以Biomineral calcium-ion-mediated conductive hydrogels with high stretchability and self-adhesiveness for sensitive iontronic sensors为题在线发表于Cell出版社期刊Cell Reports Physical Science。

文章要点

作者通过利用Ca²⁺调节链间相互作用和形成金属螯合键，大大提高了(PAM-CMC)/Ca水凝胶的机械性能。所获得的（PAM-CMC）/Ca 水凝胶具有广泛的优异机械性能，例如高拉伸性和强度以及强大的弹性。同时，Ca²⁺的存在有效调节了水凝胶内聚力和界面作用，赋予其强的自粘性和高导电性。这种水凝胶集多种功能于一身。

图1. 离子导电水凝胶的制备及性能

这些优异的性能使基于该水凝胶的传感器对宽传感范围内的应变和应力变化高度敏感，具有快速响应和出色稳定性.此外，水凝胶与不同基质表现出很强的粘附性，这使其有望以高稳定性检测人体运动、生理信号和复杂的手势语言。我们预计这些水凝胶可用作离子电子传感器，在先进的传感设备中得到广泛应用。

图2. 基于离子导电水凝胶的传感应用

小结

该研究通过使用生物矿物质钙离子调节水凝胶的交联网络结构，制备了具有高拉伸强度(276 kPa)、极端拉伸性(1480%) 和保形柔软度(弹性模量 13.55 kPa)、高电导率（1.4 S·m^-1）以及自粘附性的多功能水凝胶，基于该水凝胶的传感器对宽传感范围内的应变和应力变化高度敏感，有望在先进的传感设备中得到广泛应用。

文章的第一作者为燕山大学环境与化学工程学院已毕业的硕士柏佳慧，通讯作者为燕山大学环境与化学工程学院的焦体峰教授和青年教师秦志辉。

相关链接

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100623

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