郑平院士：超拉伸抗冻，光刻3D打印导电水凝胶运动感应信号监测【前沿背景】具有高拉伸性的

【前沿背景】
具有高拉伸性的导电水凝胶可以扩展其在电子，生物医学，人机界面和传感器中作为柔性电极的应用范围。但是，它们耗时的制造以及狭窄的工作温度和工作电压范围严重限制了其进一步的潜在应用。
【科研摘要】
先前，湖南大学王兆龙助理教授、段辉高教授与上海交通大学郑平院士等人合作，在《Research》上发表了题为3DPrintedUltrastretchable,Hyper-AntifreezingConductiveHydrogelforSensitiveMotionandElectrophysiologicalSignalMonitoring一文。团队提出了通过基于投影微立体光刻（PμSL）的3D打印制造的导电纳米复合网络水凝胶，其能够实现快速的制造能力和高精度。 3D打印水凝胶具有超强的可拉伸性（2500％），超抗冻性（-125°C），极低的工作电压（<100μv）和超循环拉伸稳定性（100万次循环）。基于水凝胶的应变传感器即使在?115°C左右的极低温度下仍具有100μV的超低电压，也可以探测大规模和微小的人体运动。证明了本发明的水凝胶可用作捕获人类电生理信号（EOG和EEG）的柔性电极，其中可以精确记录来自大脑的α和β波。因此，本发明的水凝胶将为下一代智能电子学的发展铺平道路，特别是对于那些在极低温环境下工作的人。

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【图文解析】
水凝胶的制备与表征
导电水凝胶结构是使用PμSL技术制成的（图1（a））。 405nm的LED光源用于固化光固化性聚合物溶液。制备了一种由AAm ， LiCl ， nHAp ， PEGDA和TPO-L制成的精细前体溶液，该溶液由甘油/低粘度的水溶剂化，以满足3D打印系统的高分辨率特征和快速制造的要求（图1（b）。样品展示了使用前体溶液和PμSL技术制造复杂3D结构的能力，包括开尔文泡沫模型和另外两个具有尖锐尖端的树状复杂3D结构（图1（c））。通过使用拉曼光谱法检测聚合过程中从液态到固态的化学键变化， CH信号在8秒内随着C=C信号的减少而增强（图1（d）），表明通过PμSL技术，从液体溶液到固体层的固化时间在8μs之内，比传统方法要快得多。

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图1.水凝胶的制备和特性。
水凝胶的拉伸性和抗冻性
所提出的水凝胶的可拉伸性在图2（a）中示意性地示出。可以看出，所提出的水凝胶可以很容易地在20°C下拉伸至其原始长度的20倍（图2（a-i）和2（a-ii））。揭示了负责极好的拉伸性的可能的潜在机理（图2（a-iii）和2（a-iv））。由于甘油和LiCl的协同作用，水凝胶可在液氮表面弯曲和扭曲（图2（c））。水凝胶的测试在-115°C和20°C之间进行（图2（d）的插入图），并通过调节样品与液氮表面之间的距离来控制温度。差示扫描量热法（DSC）在-160°C至25°C进行，以进一步研究这些3D打印水凝胶的凝固点（图2（f））。对于不含LiCl的水凝胶，在-15°C时观察到一个尖锐的凝固点峰，这可归因于在水凝胶中形成的冰晶。

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【郑平院士：超拉伸抗冻，光刻3D打印导电水凝胶运动感应信号监测】图2.所提出的水凝胶的机械和防冻性能。
人体运动监控
水凝胶已被用作具有高灵敏度的柔性应变传感器，用于监测各种人体运动。该3D打印水凝胶的超高拉伸性和出色的导电性相结合，为传感应用提供了一个多功能平台。带有电极和包封层的水凝胶已组装成一个柔性且可穿戴的应变传感器（图3（a-i）–3（a-iii））。特别令人感兴趣的是一些轻微的生理运动，例如吞咽和声带振动。当传感器安装在喉咙上时，应变传感器会在发音不同的单词时直接且精确地监视喉咙的细微而复杂的肌肉运动（图3（b））。

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图3.由打印水凝胶制成的柔性可穿戴传感器的性能。
人体神经信号捕获
脑电图（EEG）和眼电图（EOG）是人类神经信号的重要探针。通过提出的水凝胶的超低工作电压和电导率，制造了一种用于捕获脑电图和眼电图的柔性电极，并通过CompumedicsE系列神经病学放大器和记录仪记录了神经活动（图4）。由建议的水凝胶制成的柔性电极连接到头部的左半部分，而常规电极粘贴到头部的右半部分进行比较（图4（a））。

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