Avd.Mater.：具有压敏性、可延展性和可3D打印的仿生多功能导电自修复水凝胶
2017-06-30 11:37:15
作者：本网整理 来源：材料人
【引言】
导电自愈合（CSH）水凝胶作为一类新型仿生皮肤材料，因其在软机器人、仿生假肢和健康监测体系等领域具有潜在应用价值，有望改变工业化进程的运行轨迹。目前已有的导电自愈合水凝胶均无法实现优异的导电性和自愈合性，又或者因力学性能较差受到一定的限制，而解决这一问题的一条途径就是建立起化学和物理交联网络之间的平衡。
【成果简介】
近日，加拿大曼尼托巴大学的Malcolm Xing教授和重庆第三军医大学的罗高兴教授（共同通讯作者）等人基于物理和化学交联网络制备了具有力学性能和导电性能可愈合的水凝胶。其固有的自发性自修复是通过聚丙烯酸与铁离子之间的动态离子相互作用实现的。其中共价交联用来提高水凝胶的力学性能。建立化学和物理交联网络之间的平衡以及聚吡咯网络的导电纳米结构，使得该双网络水凝胶具有导电性、力学和电性能可自愈合性（2min回复100%力学性能）、超延展性（1500%）和压力敏感性。CSH水凝胶的实际应用潜力通过人体动态监测和3D打印性能得到了进一步的验证。该成果以“Skin-Inspired Multifunctional Autonomic-Intrinsic Conductive Self-Healing Hydrogels with Pressure Sensitivity, Stretchability, and 3D Printability”为题于2017年6月22日发表在期刊Advanced Materials上。
【图文导读】
图1 水凝胶的自愈合性能和流变性能测试
a）水凝胶被切成两半然后再接在一起；每30s记录一次水凝胶的变化；
b）切断之后的愈合机理示意图；
c）自愈合效率（切割前和愈合后的应变比）（样品呈直径为8mm，长度为1cm的棒状）；
d）切割后电性能的恢复能力，30s时恢复90%，1min后恢复96%；
e）储能模量和损耗模量与频率的关系（1%应变）；
f）储能模量和损耗模量与振幅的关系，角频率为1 rad s-1；
g）小振幅（1%应变）和大振幅（500%应变）连续交替振荡下的G‘和G'’，角频率为10 rad s-1。
图2 不同N,N″-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）含量下的水凝胶拉伸试验和SEM照片
a）长15mm，宽5mm，厚1mm的水凝胶样品拉伸前（左）和拉伸到1500%后（右）的照片；
b）不同共价交联剂含量下的水凝胶拉伸应力-应变曲线（拉伸速度10mm min-1）；
c）不同共价交联剂含量下的水凝胶压缩应力-应变曲线和杨氏模量（测试速度为1mm min-1）；
d）压缩弹性模量（E）；
水凝胶的SEM照片：e）MBAA含量为25%，f）30%，g）35%。
图3 水凝胶在受到压缩载荷时的电阻变化
a）电导率与压缩强度的关系曲线；
b）由LED灯泡和水凝胶组成的完整电路，LED灯的明暗程度表明水凝胶对压力具有响应性；
c）循环压缩引起水凝胶的电阻变化，水凝胶的长度在原始长度的25%和50%之间交替变化（样品长度为10mm，直径为8mm，测试速度为20mm min-1）。
图4 3D打印的表征、制备及应用
a）剪切变稀行为；
b）基于CSH水凝胶的3D打印可穿戴传感器的制备；
c）使用智能手机和3D打印的CSH可穿戴柔性传感器对人体运动进行实时监测；
d）CSH水凝胶条（左）和3D打印传感器（右）贴在食指上，当手指从0°到20°、45°和90°反复弯曲和伸直时发生的电阻变化。
【小结】
这项研究通过结合物理交联和化学交联，在保证水凝胶的力学稳定性和导电性的基础上（2min即可实现机械性能的完全恢复，30s内恢复90%的导电性），实现了其最高效率的自修复行为。并且该水凝胶所具有的在损伤后的自发性自修复性能和剪切变稀行为使其可以用于3D打印材料。聚吡咯的导电纳米结构为应变和压力传感装置提供了新的应用。该CSH水凝胶能够实现对人体的呼吸、脉搏和肌肉运动的实时电阻监测。
文献链接：Skin-Inspired Multifunctional Autonomic-Intrinsic Conductive Self-Healing Hydrogels with Pressure Sensitivity, Stretchability, and 3D Printability（Avd.Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201700533）
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