近日，我院辜海彬副教授團(tuán)隊基于生物質(zhì)材料制備了多功能水凝膠柔性應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測人體運動、模擬體外豬肺呼吸以及活體小白鼠的心臟跳動，相關(guān)研究成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Carbohydrate Polymers》和《ACS Applied Polymer Materials》發(fā)表。
辜海彬副教授研究團(tuán)隊通過以生物質(zhì)（海藻酸鈉，殼聚糖，β-環(huán)糊精，單寧酸等）為原料先后制備了一系列具有自愈合、抗菌、粘附、紫外屏蔽、刺激響應(yīng)性、導(dǎo)電等多種性能的水凝膠，探索了其在柔性應(yīng)變傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。這些多功能水凝膠的設(shè)計及應(yīng)用為可穿戴柔性傳感器的設(shè)計提供了新思路。例如，該團(tuán)隊利用海藻酸鈉，單寧酸，聚乙烯醇（PVA）和硼砂制備了一種多功能的水凝膠傳感器。該水凝膠傳感器具有很好的拉伸性，自愈性（自愈率>90%），pH 和果糖響應(yīng)性、黏附性等性能，它可以較為精確地監(jiān)測人體的運動行為（圖1）。相關(guān)研究成果以我院為第一單位發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為“A Multifunctional, Self-Healing，Self-Adhesive，and Conductive Sodium Alginate/Poly(vinyl alcohol) Composite Hydrogel as a Flexible Strain Sensor”。我院博士研究生趙麗為本文第一作者，其導(dǎo)師李正軍教授和辜海彬副教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
圖1. 海藻酸鈉基水凝膠的性能及其作為傳感器監(jiān)測人體運動
該研究團(tuán)隊以明膠、β-環(huán)糊精和PVA等為原料制備了雙網(wǎng)絡(luò)（主-客體作用和硼酸酯鍵）的水凝膠柔性傳感器。該水凝膠傳感器表現(xiàn)出更好地機(jī)械性能和更高的自愈率（>95%），以及較好的應(yīng)變敏感性，除了能監(jiān)測人體的運動外，還能監(jiān)測體外模擬的豬肺呼吸情況（圖2）。相關(guān)研究成果以我院為第一單位發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為“Multifunctional Self-Healing Dual Network Hydrogels Constructed via Host?Guest Interaction and Dynamic Covalent Bond as Wearable Strain Sensors for Monitoring Human and Organ Motions”。我院博士研究生劉雄為本文第一作者，其導(dǎo)師辜海彬副教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
圖2. 明膠基雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠及其作為傳感器監(jiān)測人體運動以及模擬體外豬肺呼吸
該團(tuán)隊后續(xù)又以羧甲基殼聚糖和β-環(huán)糊精等為基材，碳納米管（CNTs）為填充物和主要導(dǎo)電物質(zhì)制備了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（硼酸酯鍵和Schiff base交聯(lián)）。該水凝膠具有快速的自愈性、極高的自愈率（99%）、良好的機(jī)械性能及拉伸性、良好的細(xì)胞相容性和較高的靈敏性。此外，該水凝膠具有超高吸水率，可快速吸收濕組織表面的水分膨脹從而與組織形成良好的黏附作用。該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過組裝成柔性傳感器后除了用于監(jiān)測人體的宏觀運動外，還能很精確地貼附在小白鼠心臟（體內(nèi)）監(jiān)測其跳動（圖3）。相關(guān)研究成果以我院為第一單位發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》上，題為“Rapid self-healing and self-adhesive chitosan-based hydrogels by host-guest interaction and dynamic covalent bond as flexible sensor”。我院碩士研究生任志軍為本文第一作者，其導(dǎo)師辜海彬副教授為通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
圖3. 殼聚糖基雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠及其作為傳感器監(jiān)測人體運動以及小鼠體內(nèi)心臟跳動
論文鏈接：
1、https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c01343
2、https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c03213
3、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861721009206?via%3Dihub
4、https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.1c00805
