南京工業大學ACS Nano：“高拉伸”和“超靈敏”二者兼得的人體肌肉仿生自修復水凝膠用作應變和溫度傳感器

【背景介紹】

人體肌肉是由上皮細胞、束狀成分和肌纖維組成，具有整齊結構、高度各向異性機械性能，可通過機械傳導系統來抵抗外部張力。其中，肌內結締組織可用作支撐基質和收縮平臺，以確保協調的拉伸力傳遞至內膜結締組織，調節拉伸應變。利用具有生物相容性、可控柔軟性和環境友好的水凝膠制成的傳感系統可用于體內治療、排汗分析和人機界面。然而，基于水凝膠的電子器件難以同時獲得高拉伸性和高靈敏性。人體肌肉組織既具有高拉伸性，又具有高靈敏性，借助人體肌肉組織的結構可能制備出高拉伸性和超靈敏性兩者兼顧的水凝膠電子器件。目前，基于水凝膠的柔性生物電子器件的實際應用受到可拉伸性、靈敏度、零度以下脆性及單一感官功能差等因素限制。

【成果簡介】

近日，南京工業大學董曉臣教授、王倩博士（共同通訊作者）等人報道了一種基于仿人類肌肉的高拉伸和自修復水凝膠柔性傳感器，通過模仿長纖維結構和感覺傳遞過程機制，得到超高靈敏度，自修復率達到90.8%，在268.9%的應變范圍內具有18.28的敏感度因子，5%檢測極限應變，-0.016 ℃^-1的電阻-溫度系數和2.7的高溫度分辨率。結構明確且相互纏繞的PANI NFs(聚苯胺納米纖維)作為力學增強劑在水凝膠中形成氫鍵 “動態拉鏈”，提高自愈合性能。在此甘油/水二元溶劑體系中，冰晶的抑制作用和高度可逆的相互作用，使其在零攝氏度以下仍具有自修復能力、高保水率和持久的附著力；PANI NFs的壓阻性能使其具有較高的敏感度因子(gauge factor)、較寬的傳感應變范圍、較低的檢測極限和較高的信噪比（SNR），可用于柔性觸摸鍵盤和人體發燒溫度指示器。該研究成果以題為“Muscle-Inspired Self-Healing Hydrogels for Strain and Temperature Sensor”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、水凝膠組成和部分性能測試
（a）人體肌肉及其放大組件示意圖；

（b）纖維狀感覺神經元對刺激信號的“感知-轉移-處理”機制；

（c）PANI NFs的TEM圖像；

（d）多功能水凝膠化學結構示意圖及其高度可逆的相互作用；

（e）水凝膠雙軸面積膨脹（1500％）和單軸拉伸性能圖；

（f）可鑄模成型和高分辨率兼得的光學圖像；

（g）室溫和冷凍溫度（25℃和-26℃）保持高柔性和高導電性（3 V）。

圖二、PPBN-水凝膠自修復性能測試
（a）修復2 h、4 h和6 h后PPBN-水凝膠的應力應變曲線；

（b）在連續三次破損/修復后PPBN-水凝膠的機械性能；

（c）PPBN-水凝膠在-26℃下的自愈能力；

（d）PUN-水凝膠和PPBN-水凝膠粘合異質結自修復性能；

（e）PPBN-水凝膠的自修復機制示意圖。

圖三、PPBN-水凝膠高保水性及持久高粘合性
（a）25℃下甘油存在與否PPBN-水凝膠的高保水性；

（b）儲存數天后含甘油PPBN-水凝膠的應力-應變曲線；

（c）60℃下甘油存在與否PPBN-水凝膠的保水能力；

（d）PPBN-水凝膠與玻璃的長期粘合能力。

圖四、水凝膠傳感性能測試
（a）PUN-和PPBN-水凝膠傳感器的敏感度因子；

（b）PPBN-水凝膠傳感器具有較低的電學性能滯后性；

（c）傳感器對微小拉伸應變（5％）和壓縮應變（5％）的動態響應；

（d）拉伸和釋放過程中的瞬時電阻變化；

（e）1000次循環前后良好的電學穩定性；

（f）PPBN-水凝膠傳感器在空氣中微弱的電學衰減。

圖五、PPBN水凝膠柔性觸摸鍵盤和可穿戴語音識別平
（a）柔性觸摸鍵盤的配置示意圖；

（b-d）書寫不同英文字母時的簽名感應波形；

（e）PPBN-水凝膠傳感器用于區分人體喉部發聲的示意圖；

（f-h）PPBN-水凝膠傳感器對不同單詞發聲的電學響應。

圖六、PPBN-水凝膠溫度傳感器熱敏性能
（a）PPBN-水凝膠溫度傳感器在40-110℃的電阻-溫度系數（TCR）；

（b）重復性冷源（50℃）和熱源（90℃）的溫度傳感性能；

（c）溫度傳感器對熱水（80℃）和冷水（30℃）的瞬時電響應；

（d）PPBN-水凝膠傳感器的溫敏性能對熱源距離的依賴性。

圖七、水凝膠溫度傳感器用作發燒指示器以監測人體溫度
（a, b）溫度傳感器對不同溫度和熱量分布的瞬時熱響應；

（c, e）“人為發燒”過程中電性能變化

（d, f）“人為發燒”過程中人體前額的紅外熱像圖。

【總結】

綜上所述，作者提出了一種仿人體肌肉的纖維增強且抗凍的自修復水凝膠來實現雙重感官功能。利用可逆的金屬配位、氫鍵和靜電相互作用使得該水凝膠具有超高的可拉伸性（~991%）、面積擴展性（~1500%）、高自修復效率（90.8%）、熱響應（-0.0164 ℃^-1，R²=0.99）和距離相關的熱感系數（-0.022 ℃ mm^-1，R²=0.977）；冰結晶和可逆相互作用的抑制使得改水凝膠在零攝氏度以仍具有較高的拉伸性和自修復能力；甘油的摻入使得水凝膠具有不干燥、長期保水和持久粘附的優點。基于該水凝膠的傳感器可以區分簽名筆跡和作為發燒指示器以即時顯示人體溫度，在可穿戴設備領域有很好的應用前景。

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

通訊作者簡介

董曉臣，二級教授、博士生導師，畢業于浙江大學，新加坡南洋理工大學博士后，國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”創新領軍人才。主要從事柔性電子材料及器件研究。以通訊作者和第一作者在Advanced Materials，ACS Nano，Chemical Society Reviews等國際期刊發表SCI論文200多篇，他引14000多次，單篇最高引用1300多次。榮獲江蘇省科學技術一、二等獎（2017年，2019年）各一項，教育部高等學校科學研究優秀成果二等獎一項，入選科學中國人2016年度人物及2019年全球高被引科學家（愛思唯爾雜志社）。

本文由CQR編譯。

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