“离子皮肤”是一种基于离子电传导机制来模拟人类皮肤感知应力、温度等多重功能的柔性电子器件。离子凝胶为基础的电子设备在未来的医疗保健/生物医学应用中至关重要，如高级诊断、治疗、物理治疗等。然而，在将超高的延展性、透明性、自粘性和低成本制造工艺集成到一体的水凝胶材料以应对现实世界中的各种应用场景方面仍具有很大的挑战，也是目前制约该领域发展的瓶颈问题。
基于此，，中科院宁波材料所陈静课题组和杭州师范大学黄又举教授团队合作通过精心设计水凝胶的组分、网络结构和链间相互作用，通过引入电荷丰富的两性离子到一个天然多糖网络，开发了一类兼具超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一体的离子导电水凝胶材料。该水凝胶具有超高的拉伸性能(%)、独特的透光率(96.2%)和普遍的保形粘附性。该仿生水凝胶电子器件具有良好的应力/温度双重传感功能，灵敏度高。通过对关节弯曲、脉搏、声带振动、脑电图、眼动、体温等多通道信号的采集，论证了监测身体活动或分析人体精神状态的可行性。这种基于多功能离子水凝胶电子平台的一体化策略有望在智能机器人、人机界面和可穿戴监控系统中开辟新的战术传感应用。该研究工作以“Ultrastretchable,HighlyTransparent,Self-Adhesive,and3D-PrintableIonicHydrogelsforMultimodeTacticalSensing”为题发表在国际著名期刊Chem.Mater.上。
图1-水凝加的结构和宏观性能。
在这项工作中，设计合成了一种由钙离子和两性离子[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺基丙基)氢氧化铵(SBMA)和2-甲基丙烯酸羟乙基(HEMA)组成的半互穿共聚物(图1a)物理交联的海藻酸网络(图1a)。由于强偶极两性离子单元产生的离子-偶极或偶极-偶极相互作用，可逆物理交联具有能量耗散、超弹性和自适应粘附等优点。它们具有显著的拉伸性(~%)，高的透光率(~96.2%)，以及对各种基材的自粘性和可3D打印性。水凝胶还具有较高的离子电导率(0.39Sm1)和灵敏度(拉伸和压缩应变响应的灵敏度分别高达3.26和7.34，在长达次的循环压缩测试中，表现出较为稳定的信号传感能力。水凝胶在2～40℃和40～70℃两个温度范围内，具有良好的线性响应规律，其温度传感灵敏度（定义为(ΔR/R0)/ΔT）分别为0.69%/℃和2.39%/℃。
图2-水凝胶用于多模态生理信号采集
利用3D打印技术，创建了具有可设计结构的传感器阵列原型，用于检测一维和二维的力或温度信号。基于水凝胶材料优异的综合性能和高灵敏应变/温度双重传感功能，该材料还可实时、同步、持续地采集人体脑电、眼动和额前温度等关键信号，且与商用导电膏（羧甲基纤维素水胶体）相比，具有一致的信号记录效果。这项工作展示了一种利用离子导电水凝胶的多模型传感策略，实时全面地评估人体的生物活性，这在可穿戴医疗设备的应用中具有前景。如运动捕捉、生理和心理健康评估以及人机界面。
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