焦體峰教授課題組CRPS：通過生物礦化鈣離子調控網絡結構設計超拉伸、自黏附水凝膠用于高靈敏離子電子傳感器

研究背景

離子傳輸是生物體內廣泛存在的現象，對生理活動如肌肉收縮及神經刺激信號傳導有著至關重要的作用。受生物系統中離子傳輸的啟發，基于軟離子導體的離子電子傳感器因其仿生傳感能力而得到廣泛開發，擴展了下一代類皮膚傳感器的選擇。最近，各種具有機械順應性和導電性的離子導體，如水凝膠、離子凝膠和離子彈性體，已被開發用于離子電子傳感器。其中，含有可移動離子的水凝膠因其固有的透明性、可拉伸性和生物相容性等優點，被認為是用于制備離子電子傳感器理想材料。然而，水凝膠較差的力學性能和黏附性嚴重限制了其在可穿戴離子電子傳感器中的應用。通過簡單有效的策略設計同時具有高拉伸性、高導電性和自黏附的離子導電水凝膠一直是該領域的研究重點和極大挑戰。

成果簡介

燕山大學焦體峰教授課題組通過使用生物礦物質鈣離子調節聚丙烯酰胺-羧甲基纖維素鈉（PAM-CMC）水凝膠的交聯網絡結構，制備了一種集高強度、高拉伸性和自黏附性于一體的新型透明和高離子導電水凝膠。所得水凝膠表現出優異的機械性能，如高拉伸強度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%)和保形柔軟度(彈性模量13.55 kPa)。同時，該水凝膠還有具有高電導率（1.4 S·m^-1）和很強的粘附性。這些優異的性能使得基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內的應變和應力變化高度敏感，具有快速響應和出色的穩定性，可用來檢測人體運動、生理信號和復雜的手勢語言。該研究成果以Biomineral calcium-ion-mediated conductive hydrogels with high stretchability and self-adhesiveness for sensitive iontronic sensors為題在線發表于Cell出版社期刊Cell Reports Physical Science。

文章要點

作者通過利用Ca²⁺調節鏈間相互作用和形成金屬螯合鍵，大大提高了(PAM-CMC)/Ca水凝膠的機械性能。所獲得的（PAM-CMC）/Ca 水凝膠具有廣泛的優異機械性能，例如高拉伸性和強度以及強大的彈性。同時，Ca²⁺的存在有效調節了水凝膠內聚力和界面作用，賦予其強的自粘性和高導電性。這種水凝膠集多種功能于一身。

圖1. 離子導電水凝膠的制備及性能

這些優異的性能使基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內的應變和應力變化高度敏感，具有快速響應和出色穩定性.此外，水凝膠與不同基質表現出很強的粘附性，這使其有望以高穩定性檢測人體運動、生理信號和復雜的手勢語言。我們預計這些水凝膠可用作離子電子傳感器，在先進的傳感設備中得到廣泛應用。

圖2. 基于離子導電水凝膠的傳感應用

小結

該研究通過使用生物礦物質鈣離子調節水凝膠的交聯網絡結構，制備了具有高拉伸強度(276 kPa)、極端拉伸性(1480%) 和保形柔軟度(彈性模量 13.55 kPa)、高電導率（1.4 S·m^-1）以及自粘附性的多功能水凝膠，基于該水凝膠的傳感器對寬傳感范圍內的應變和應力變化高度敏感，有望在先進的傳感設備中得到廣泛應用。

文章的第一作者為燕山大學環境與化學工程學院已畢業的碩士柏佳慧，通訊作者為燕山大學環境與化學工程學院的焦體峰教授和青年教師秦志輝。

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https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100623

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