自愈合，自粘丝蛋白导电水凝胶作为柔性应变传感器( Self-Healing, Self-Adhesive Silk Fibroin Conductive Hydrogel as a Flexible Strain Sensor )

Haiyan Zheng Nan Lin Yanyi He Baoqi Zuo

柔性、可穿戴的水凝胶应变传感器在人体运动和生理信号监测中的应用受到了广泛的关注。然而，研制一种具有一定力学性能和拉伸变形能力的水凝胶应变传感器仍是一个巨大的挑战，它能与靶器官共形接触，同时具有自修复性、自粘附性、生物相容性、抗菌性、高应变灵敏度和稳定的电性能。以聚乙烯醇(PVA)、硼砂、丝素蛋白(SF)、单宁酸(TA)为原料，合理设计了一种离子导电水凝胶（简称PBST）。SF不仅可以在动态交联的水凝胶网络中引入能量耗散机制，稳定PVA和硼砂的非牛顿行为，而且可以作为交联剂与TA结合，减少TA在水凝胶网络上的解离，改善水凝胶的力学性能和粘弹性。SF和TA的结合可以提高水凝胶的自愈合能力，在不牺牲其他性能的前提下实现水凝胶的粘弹性可调。所得水凝胶具有优异的拉伸性能（应变>1000%)，与人体皮肤表现出良好的适形接触。当水凝胶受到外界应变破坏时，它可以在没有外界刺激的情况下迅速自我修复（力学和电学性能）。对不同材料（钢、木、聚四氟乙烯、玻璃、铁、棉织物）和生物组织（猪皮）具有粘附性和可重复粘附性，易于剥离，无残留。所得PBST导电水凝胶具有较宽的应变传感范围(>650%)，稳定性可靠。粘附在皮肤表面的水凝胶可以监测手指关节、腕关节、膝关节等大应变运动，检测吞咽、微笑、面部鼓起和平静等微变形行为。它还能分辨出轻笑、大笑、呼吸快与慢、呼吸深与浅等身体信号。因此，具有多种协同功能的PBST导电水凝胶材料作为柔性可穿戴应变传感器具有很大潜力。该PBST水凝胶同时具有抗菌性能和良好的生物相容性，为其作为柔性可穿戴应变传感器提供了安全保障。这项工作有望为人们开发理想的可穿戴应变传感器提供新的途径。

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