四川大学研发可用于可穿戴传感器的导电自愈合水凝胶

柔性电子传感器的发展极大地改变了我们的日常生活，并被广泛应用于医疗监测、可穿戴电子设备以及人机交互界面等领域。由于柔性传感器通常用于桥接人体组织和电极，因此必须具有与人体组织相似的力学性能和极好的生物相容性，以最大程度地减少力学失配以及减轻免疫反应。近年来，水凝胶由于其柔软的特性和卓越的生物相容性，而成为制作柔性生物传感器的理想材料，由此衍生出了通过将导电填料(例如纳米金属线，碳纳米管，和石墨烯等)引入自修复水凝胶基质中来构建此类水凝胶的方法。而高刚度的填料会通过限制聚合物链的移动性而降低水凝胶的自修复能力。此外，水凝胶的高电导率和敏感性通常需要高于临界浓度(即渗透阈值)的高填充比，这通常会导致纳米/微米级聚集体的产生以及力学性能的下降。导电自修复水凝胶(Conductive self-healing hydrogels，CSHs)作为一类传感材料，有希望应用于下一代柔性电子产品。目前，阻碍CSH开发和应用的一大难题在于兼顾力学、电学和自愈合性能之间的矛盾。

鉴于此，四川大学周涛教授、德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授合作创造性地通过预渗透方法开发了具有超分子双网络结构的新型CSH。得益于自修复水凝胶基质和导电聚合物水凝胶网络之间建立的动态界面相互作用(氢键和静电相互作用)，在不牺牲自修复性能的情况下，显着提高了所得PAAN水凝胶的力学和电学性能。这种水凝胶网络设计有望应用于人机交互界面和软机器人的下一代水凝胶电子设备。

该策略通过将导电聚苯胺(PANI)前聚体预先浸入可自愈合的疏水聚丙烯酸(HAPAA)水凝胶基质中，制备出了超分子双网络CSH。HAPAA和PANI网络之间的动态界面相互作用有效地增强了HAPAA / PANI(PAAN)水凝胶的力学性能，并可以弥补力学强度提高对自愈合的负面影响。此外，互连的PANI网络赋予PAAN水凝胶高电导率和出色的传感性能。因此，PAAN水凝胶的力学和电学性能同时得到显著增强，而且不会损害HAPAA基质的自愈合性能，从而使PAAN水凝胶兼顾了力学、电学和自愈合性能。这项研究为解决力学强度和自愈合性能之间的内在矛盾提供了一种可行的策略，同时也为开发新兴的高性能CSH提供了一条新颖的途径。

文章亮点：

1、所获得的PAAN水凝胶具有优异的力学性能，如高可拉伸性(2590%)、强度(0.9 MPa)、韧性(7.85M J m -3)、断裂能(4200 J m -2)。

2、互连的PANI网络赋予了PAAN水凝胶高导电性(~3.35 S m -1)以及卓越的传感性能，如高灵敏度(GF=17.9)、低探测极限(0.05%应变)、高响应速度(80 ms)以及优秀的再现性。

3、该PAAN水凝胶可用于人体运动和生理信号监控的可穿戴式传感器，手写监测的柔性触摸屏以及用于监测压力大小和分布的人造电子皮肤，并能愈合过程后恢复其电学性能。

图1 物理交联PAAN水凝胶内部的多种相互作用

图2 PAAN水凝胶的力学性能

图3 PAAN水凝胶的自愈合性能

图4 PAAN水凝胶的传感性能

图5 基于PAAN水凝胶的传感技术：可监测人体关节运动，生理信号和制成柔性触摸屏