【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在極端環(huán)境里，柔性傳感器這類新興科技能大大拓展人類感知信息的邊界，成為守護(hù)安全的 “科技護(hù)盾”。而柔性傳感器中，水凝膠傳感器憑借其出色的柔韌性、可調(diào)制的物化性能和穩(wěn)定的生物兼容性，能夠可靠地將外界的拉伸、壓力、溫度等變化轉(zhuǎn)換為可被探測(cè)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等多種有效的應(yīng)用。然而，常規(guī)的水凝膠傳感器在面臨極端環(huán)境帶來的高溫、高鹽、極寒等惡劣條件時(shí)，由于其內(nèi)部大量可脫出的“自由水”和稀疏的聚合物鏈交聯(lián)，往往會(huì)發(fā)生脫水、斷裂等問題，從而導(dǎo)致其性能的下降和失效。
 

　　為了匹配極端環(huán)境使用需求，水凝膠傳感器往往需要同時(shí)兼具傳感性能、環(huán)境耐受性和生物相容性；而例如高濃度鹽溶液強(qiáng)化等策略往往會(huì)在單一指標(biāo)提升(如機(jī)械強(qiáng)度)的同時(shí)，引入新的干擾因素(如高濃度離子帶來的高滲透壓)，造成其它性能(如生物相容性)的下降。因此，如何在保證綜合性能不受到損害的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠性能的高效調(diào)制增強(qiáng)，是當(dāng)前研究亟需解決的問題。
 

　　復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院張榮君教授團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)附屬口腔醫(yī)院韋曉玲主任團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功用于極端環(huán)境和多維感知的水凝膠傳感器。近日，相關(guān)研究成果以“Bamboo-Basket-Inspired Stepwise Modulated Hydrogel for Multifunctional and Extreme-Environment Sensing”為題發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。
 

　　團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，竹籃具備非常出色的功能性，而這種功能性不僅來自于竹條自身的多組分集成，也來自于竹籃獨(dú)特的編織過程——先將雜亂的竹條分散，挑選編織成一個(gè)基本的框架，再將竹條纏繞在框架上，極其高效地構(gòu)建了均勻、致密交聯(lián)的竹籃，避免了由于局部竹條不均勻纏繞帶來的性能下降。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)提出了一種水凝膠調(diào)制策略，就是將聚乙烯醇(PVA)、氧化羧甲基纖維素鈉(OCMC-Na)和明膠(Gel)多組分構(gòu)成的水凝膠中每個(gè)細(xì)小的微區(qū)視為“竹條”，先通過MgCl2的鹽溶效應(yīng)削弱氫鍵，將“竹條”分散；再利用定向冷凍構(gòu)建稀疏交聯(lián)的“框架”；最后通過Na3C6H5O7的鹽析效應(yīng)將框架纏繞形成“竹籃”般均勻、致密交聯(lián)的PCG-x水凝膠。
 

　　圖1 (a)傳統(tǒng)定向冷凍構(gòu)建策略存在的問題示意圖；(b)“竹籃”啟發(fā)的構(gòu)建策略示意圖
 

　　得益于高效的調(diào)制效率，該策略允許在生物相容的低離子鹽濃度下實(shí)現(xiàn)水凝膠的性能提升，從而完美匹配極端環(huán)境下的使用需求。在該策略下，制備的PCG-0.5水凝膠在739%應(yīng)變下展現(xiàn)出4.9 MPa的機(jī)械強(qiáng)度，能夠識(shí)別應(yīng)變、壓力和溫度的變化，并且能夠在60 ℃的高溫、-75 ℃的超低溫以及海水環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)變傳感；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明在生物體內(nèi)植入4周后依舊展現(xiàn)出優(yōu)異的相容性。研究基于CNN模型構(gòu)建了傳感信號(hào)的快速識(shí)別系統(tǒng)，并結(jié)合光譜和理論計(jì)算深度闡明了逐步氫鍵調(diào)制的詳細(xì)機(jī)制。
 

　　圖2 (a)極寒環(huán)境手勢(shì)交流示意圖；(b)極寒環(huán)境模擬測(cè)試示意圖；(c)基于CNN模型的信號(hào)處理過程
 

圖3 “竹籃”啟發(fā)水凝膠的綜合性能以及潛在應(yīng)用示意圖
 

　　該團(tuán)隊(duì)基于水凝膠傳感器極端環(huán)境不耐受、改性策略無法兼顧綜合性能的局限性，從竹籃編織的過程獲得啟發(fā)，提出了一種與竹籃編織類似的逐步氫鍵調(diào)制策略，高效實(shí)現(xiàn)了水凝膠傳感性能、環(huán)境耐受性和生物相容性的綜合增強(qiáng)。研究基于光譜手段對(duì)其氫鍵調(diào)制的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析論述，為相關(guān)水凝膠的性能調(diào)控提供了全新的思路和充分的理論基礎(chǔ)；得益于簡(jiǎn)單的制備策略和出色的綜合性能，研究亦有利于水凝膠傳感器走向進(jìn)一步的體內(nèi)/體外監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
 

　　復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院2023級(jí)博士生方紹鈞和復(fù)旦大學(xué)附屬口腔醫(yī)院周強(qiáng)強(qiáng)醫(yī)生共同擔(dān)任文章第一作者，張榮君教授和韋曉玲主任共同擔(dān)任通訊作者。