华南理工贾永光/施雪涛/王琳和南洋理工赵彦利：可聚合轮烷水凝胶3D打印的柔性传感器

来源：高分子科技


水凝胶的力学性能特别是抗疲劳等性能对柔性传感器的实际应用至关重要，传统化学交联的水凝胶由于凝胶网络的不均匀性和缺乏有效的能量耗散机制，容易对水凝胶网络造成不可逆的损害，影响水凝胶中生理信号传感的可靠性，限制了水凝胶在柔性传感中的实际应用。目前在可穿戴柔性传感器的长期应用中，设计具有优良力学性（高柔性、高回弹等）和高稳定性的水凝胶仍然是一个巨大的挑战。
近期，华南理工大学材料科学与工程学院、国家人体组织功能重建工程技术研究中心贾永光、施雪涛、王琳与南洋理工大学赵彦利合作，应用天然分子胆酸和β-环糊精主客体组装成的准轮烷作为可聚合交联剂（图1），以丙烯酰胺（Am）为单体，将导电的离子液体（氯化胆碱，ChCl）引入乙二醇/水二元溶剂体系中，制备出具有优异拉伸性能、抗疲劳性、耐穿刺等多功能于一体的PR-Gel。原位小角X-射线散射、X-射线衍射等手段证明了可移动交联点（β-环糊精-胆酸轮烷单元）产生的“滑轮效应”提供了与固定交联点显著不同的力学性能，能够有效地分散施加的作用力，最终使得凝胶具有超强的抗疲劳性能和超快的回弹性能以及优异的抗断裂能力（图2），基于PR-Gel的柔性传感器也表现出了出色的循环稳定性。

图1 PR-Gel的设计和3D打印应用

图2 PR-Gel力学性能和耐穿刺性能表征

将该凝胶与DLP 3D打印技术相结合，制备了具有复杂几何结构和高分辨率的凝胶柔性器件。基于PR-Gel的应变传感器具有高度灵敏的传感性能，能够实现精确的实时人体运动检测和心电信号的原位监测（图3）。该工作以“Polymerizable rotaxane hydrogels for three-dimensional printing fabrication of wearable sensors”为题发表在《Nature Communications》杂志上了（Nature Communications 2023; 14:1331），文章第一作者是华南理工大学硕士生熊雪茹。该研究得到国家自然科学基金委等项目的支持。

图3 基于PR-Gel的3D打印柔性传感器

该研究不仅为可打印功能材料的设计提供了新的范例，也为3D智能柔性电子设备的开发创造了新的机遇。

参考文献：
Polymerizable rotaxane hydrogels for three-dimensional printing fabrication of wearable sensors Nature Communications 2023, 14:1331.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36920-3