近日，我院辜海彬副教授團隊基于生物質材料制備了多功能水凝膠柔性應變傳感器，用于監測人體運動、模擬體外豬肺呼吸以及活體小白鼠的心臟跳動，相關研究成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Carbohydrate Polymers》和《ACS Applied Polymer Materials》發表。
辜海彬副教授研究團隊通過以生物質（海藻酸鈉，殼聚糖，β-環糊精，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、刺激響應性、導電等多種性能的水凝膠，探索了其在柔性應變傳感器領域的潛在應用前景。這些多功能水凝膠的設計及應用為可穿戴柔性傳感器的設計提供了新思路。例如，該團隊利用海藻酸鈉，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 和果糖響應性、黏附性等性能，它可以較為精確地監測人體的運動行為（圖1）。相關研究成果以我院為第一單位發表在《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測人體運動
該研究團隊以明膠、β-環糊精和PVA等為原料制備了雙網絡（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出更好地機械性能和更高的自愈率（>95%），以及較好的應變敏感性，除了能監測人體的運動外，還能監測體外模擬的豬肺呼吸情況（圖2）。相關研究成果以我院為第一單位發表在《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基金的資助。
圖2. 明膠基雙網絡水凝膠及其作為傳感器監測人體運動以及模擬體外豬肺呼吸
該團隊后續又以羧甲基殼聚糖和β-環糊精等為基材，碳納米管（CNTs）為填充物和主要導電物質制備了雙網絡水凝膠（硼酸酯鍵和Schiff base交聯）。該水凝膠具有快速的自愈性、極高的自愈率（99%）、良好的機械性能及拉伸性、良好的細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。該雙網絡水凝膠通過組裝成柔性傳感器后除了用于監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）監測其跳動（圖3）。相關研究成果以我院為第一單位發表在《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基金的資助。
圖3. 殼聚糖基雙網絡水凝膠及其作為傳感器監測人體運動以及小鼠體內心臟跳動
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
