南京工业大学ACS Nano：“高拉伸”和“超灵敏”二者兼得的人体肌肉仿生自修复水凝胶用作应变和温度传感器

【背景介绍】

人体肌肉是由上皮细胞、束状成分和肌纤维组成，具有整齐结构、高度各向异性机械性能，可通过机械传导系统来抵抗外部张力。其中，肌内结缔组织可用作支撑基质和收缩平台，以确保协调的拉伸力传递至内膜结缔组织，调节拉伸应变。利用具有生物相容性、可控柔软性和环境友好的水凝胶制成的传感系统可用于体内治疗、排汗分析和人机界面。然而，基于水凝胶的电子器件难以同时获得高拉伸性和高灵敏性。人体肌肉组织既具有高拉伸性，又具有高灵敏性，借助人体肌肉组织的结构可能制备出高拉伸性和超灵敏性两者兼顾的水凝胶电子器件。目前，基于水凝胶的柔性生物电子器件的实际应用受到可拉伸性、灵敏度、零度以下脆性及单一感官功能差等因素限制。

【成果简介】

近日，南京工业大学董晓臣教授、王倩博士（共同通讯作者）等人报道了一种基于仿人类肌肉的高拉伸和自修复水凝胶柔性传感器，通过模仿长纤维结构和感觉传递过程机制，得到超高灵敏度，自修复率达到90.8%，在268.9%的应变范围内具有18.28的敏感度因子，5%检测极限应变，-0.016 ℃^-1的电阻-温度系数和2.7的高温度分辨率。结构明确且相互缠绕的PANI NFs(聚苯胺纳米纤维)作为力学增强剂在水凝胶中形成氢键 “动态拉链”，提高自愈合性能。在此甘油/水二元溶剂体系中，冰晶的抑制作用和高度可逆的相互作用，使其在零摄氏度以下仍具有自修复能力、高保水率和持久的附着力；PANI NFs的压阻性能使其具有较高的敏感度因子(gauge factor)、较宽的传感应变范围、较低的检测极限和较高的信噪比（SNR），可用于柔性触摸键盘和人体发烧温度指示器。该研究成果以题为“Muscle-Inspired Self-Healing Hydrogels for Strain and Temperature Sensor”发布在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文解读】

图一、水凝胶组成和部分性能测试
（a）人体肌肉及其放大组件示意图；

（b）纤维状感觉神经元对刺激信号的“感知-转移-处理”机制；

（c）PANI NFs的TEM图像；

（d）多功能水凝胶化学结构示意图及其高度可逆的相互作用；

（e）水凝胶双轴面积膨胀（1500％）和单轴拉伸性能图；

（f）可铸模成型和高分辨率兼得的光学图像；

（g）室温和冷冻温度（25℃和-26℃）保持高柔性和高导电性（3 V）。

图二、PPBN-水凝胶自修复性能测试
（a）修复2 h、4 h和6 h后PPBN-水凝胶的应力应变曲线；

（b）在连续三次破损/修复后PPBN-水凝胶的机械性能；

（c）PPBN-水凝胶在-26℃下的自愈能力；

（d）PUN-水凝胶和PPBN-水凝胶粘合异质结自修复性能；

（e）PPBN-水凝胶的自修复机制示意图。

图三、PPBN-水凝胶高保水性及持久高粘合性
（a）25℃下甘油存在与否PPBN-水凝胶的高保水性；

（b）储存数天后含甘油PPBN-水凝胶的应力-应变曲线；

（c）60℃下甘油存在与否PPBN-水凝胶的保水能力；

（d）PPBN-水凝胶与玻璃的长期粘合能力。

图四、水凝胶传感性能测试
（a）PUN-和PPBN-水凝胶传感器的敏感度因子；

（b）PPBN-水凝胶传感器具有较低的电学性能滞后性；

（c）传感器对微小拉伸应变（5％）和压缩应变（5％）的动态响应；

（d）拉伸和释放过程中的瞬时电阻变化；

（e）1000次循环前后良好的电学稳定性；

（f）PPBN-水凝胶传感器在空气中微弱的电学衰减。

图五、PPBN水凝胶柔性触摸键盘和可穿戴语音识别平
（a）柔性触摸键盘的配置示意图；

（b-d）书写不同英文字母时的签名感应波形；

（e）PPBN-水凝胶传感器用于区分人体喉部发声的示意图；

（f-h）PPBN-水凝胶传感器对不同单词发声的电学响应。

图六、PPBN-水凝胶温度传感器热敏性能
（a）PPBN-水凝胶温度传感器在40-110℃的电阻-温度系数（TCR）；

（b）重复性冷源（50℃）和热源（90℃）的温度传感性能；

（c）温度传感器对热水（80℃）和冷水（30℃）的瞬时电响应；

（d）PPBN-水凝胶传感器的温敏性能对热源距离的依赖性。

图七、水凝胶温度传感器用作发烧指示器以监测人体温度
（a, b）温度传感器对不同温度和热量分布的瞬时热响应；

（c, e）“人为发烧”过程中电性能变化

（d, f）“人为发烧”过程中人体前额的红外热像图。

【总结】

综上所述，作者提出了一种仿人体肌肉的纤维增强且抗冻的自修复水凝胶来实现双重感官功能。利用可逆的金属配位、氢键和静电相互作用使得该水凝胶具有超高的可拉伸性（~991%）、面积扩展性（~1500%）、高自修复效率（90.8%）、热响应（-0.0164 ℃^-1，R²=0.99）和距离相关的热感系数（-0.022 ℃ mm^-1，R²=0.977）；冰结晶和可逆相互作用的抑制使得改水凝胶在零摄氏度以仍具有较高的拉伸性和自修复能力；甘油的掺入使得水凝胶具有不干燥、长期保水和持久粘附的优点。基于该水凝胶的传感器可以区分签名笔迹和作为发烧指示器以即时显示人体温度，在可穿戴设备领域有很好的应用前景。

文献链接：Muscle-Inspired Self-Healing Hydrogels for Strain and Temperature Sensor（ACS Nano,2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b07874）

通讯作者简介

董晓臣，二级教授、博士生导师，毕业于浙江大学，新加坡南洋理工大学博士后，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”创新领军人才。主要从事柔性电子材料及器件研究。以通讯作者和第一作者在Advanced Materials，ACS Nano，Chemical Society Reviews等国际期刊发表SCI论文200多篇，他引14000多次，单篇最高引用1300多次。荣获江苏省科学技术一、二等奖（2017年，2019年）各一项，教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖一项，入选科学中国人2016年度人物及2019年全球高被引科学家（爱思唯尔杂志社）。

本文由CQR编译。

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