Avd.Mater.:具有壓敏性、可延展性和可3D打印的仿生多功能導(dǎo)電自修復(fù)水凝膠
【引言】
導(dǎo)電自愈合(CSH)水凝膠作為一類新型仿生皮膚材料,因其在軟機(jī)器人、仿生假肢和健康監(jiān)測(cè)體系等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值,有望改變工業(yè)化進(jìn)程的運(yùn)行軌跡。目前已有的導(dǎo)電自愈合水凝膠均無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電性和自愈合性,又或者因力學(xué)性能較差受到一定的限制,而解決這一問(wèn)題的一條途徑就是建立起化學(xué)和物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的平衡。
【成果簡(jiǎn)介】
近日,加拿大曼尼托巴大學(xué)的Malcolm Xing教授和重慶第三軍醫(yī)大學(xué)的羅高興教授(共同通訊作者)等人基于物理和化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)制備了具有力學(xué)性能和導(dǎo)電性能可愈合的水凝膠。其固有的自發(fā)性自修復(fù)是通過(guò)聚丙烯酸與鐵離子之間的動(dòng)態(tài)離子相互作用實(shí)現(xiàn)的。其中共價(jià)交聯(lián)用來(lái)提高水凝膠的力學(xué)性能。建立化學(xué)和物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的平衡以及聚吡咯網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu),使得該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有導(dǎo)電性、力學(xué)和電性能可自愈合性(2min回復(fù)100%力學(xué)性能)、超延展性(1500%)和壓力敏感性。CSH水凝膠的實(shí)際應(yīng)用潛力通過(guò)人體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和3D打印性能得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。該成果以“Skin-Inspired Multifunctional Autonomic-Intrinsic Conductive Self-Healing Hydrogels with Pressure Sensitivity, Stretchability, and 3D Printability”為題于2017年6月22日發(fā)表在期刊Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 水凝膠的自愈合性能和流變性能測(cè)試

a)水凝膠被切成兩半然后再接在一起;每30s記錄一次水凝膠的變化;
b)切斷之后的愈合機(jī)理示意圖;
c)自愈合效率(切割前和愈合后的應(yīng)變比)(樣品呈直徑為8mm,長(zhǎng)度為1cm的棒狀);
d)切割后電性能的恢復(fù)能力,30s時(shí)恢復(fù)90%,1min后恢復(fù)96%;
e)儲(chǔ)能模量和損耗模量與頻率的關(guān)系(1%應(yīng)變);
f)儲(chǔ)能模量和損耗模量與振幅的關(guān)系,角頻率為1 rad s-1;
g)小振幅(1%應(yīng)變)和大振幅(500%應(yīng)變)連續(xù)交替振蕩下的G‘和G'’,角頻率為10 rad s-1。
圖2 不同N,N″-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)含量下的水凝膠拉伸試驗(yàn)和SEM照片

a)長(zhǎng)15mm,寬5mm,厚1mm的水凝膠樣品拉伸前(左)和拉伸到1500%后(右)的照片;
b)不同共價(jià)交聯(lián)劑含量下的水凝膠拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(拉伸速度10mm min-1);
c)不同共價(jià)交聯(lián)劑含量下的水凝膠壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和楊氏模量(測(cè)試速度為1mm min-1);
d)壓縮彈性模量(E);
水凝膠的SEM照片:e)MBAA含量為25%,f)30%,g)35%。
圖3 水凝膠在受到壓縮載荷時(shí)的電阻變化

a)電導(dǎo)率與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系曲線;
b)由LED燈泡和水凝膠組成的完整電路,LED燈的明暗程度表明水凝膠對(duì)壓力具有響應(yīng)性;
c)循環(huán)壓縮引起水凝膠的電阻變化,水凝膠的長(zhǎng)度在原始長(zhǎng)度的25%和50%之間交替變化(樣品長(zhǎng)度為10mm,直徑為8mm,測(cè)試速度為20mm min-1)。
圖4 3D打印的表征、制備及應(yīng)用

a)剪切變稀行為;
b)基于CSH水凝膠的3D打印可穿戴傳感器的制備;
c)使用智能手機(jī)和3D打印的CSH可穿戴柔性傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);
d)CSH水凝膠條(左)和3D打印傳感器(右)貼在食指上,當(dāng)手指從0°到20°、45°和90°反復(fù)彎曲和伸直時(shí)發(fā)生的電阻變化。
【小結(jié)】
這項(xiàng)研究通過(guò)結(jié)合物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián),在保證水凝膠的力學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上(2min即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能的完全恢復(fù),30s內(nèi)恢復(fù)90%的導(dǎo)電性),實(shí)現(xiàn)了其最高效率的自修復(fù)行為。并且該水凝膠所具有的在損傷后的自發(fā)性自修復(fù)性能和剪切變稀行為使其可以用于3D打印材料。聚吡咯的導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)為應(yīng)變和壓力傳感裝置提供了新的應(yīng)用。該CSH水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體的呼吸、脈搏和肌肉運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)電阻監(jiān)測(cè)。
文獻(xiàn)鏈接: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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