传感器|西南交通大学周绍兵：盐响应三重形状记忆的水凝胶可穿戴设备用于监测人体健康机械|sm|互联网医疗

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来源：【高分子材料科学】微信公众号
【专业背景】
如今，可穿戴柔性电子设备（WFE）为物理和化学监测提供了一种有效的方法，例如检测人类活动和人类汗液。但是，由于目前报道的大多数柔性传感器仅专注于监测身体活动，因此有必要开发出可以捕获人体各种数据以获取更深入的健康信息的灵活设备。人体汗液是一种重要且易于获取的体液，其中含有大量化学物质，可以反映个人的生理状态。因此，可穿戴汗液传感器的发展为生理和生物医学监测应用打开了大门。因此，迫切需要开发具有盐响应的形状记忆水凝胶传感器。
形状记忆水凝胶（SMH）是一类智能材料，能够在热，光，电，磁，溶剂和化学环境等近似刺激下从编程的临时形状恢复其原始形状。精心设计以显示双重，三重和多重SME 。双重SME可以在两种形状之间进行转换，而三重和多重SME可以在三种或更多形状之间实现独特的形状转换行为，从而赋予传感器更易访问的特性。由于基于SMH的传感器直接在人体上使用，因此采用温和且生物环境友好的刺激来激活SME应该是先决条件，在这种情况下，盐介导的SMH可以很好地满足传感器的这一要求。
聚两性电解质水凝胶可以响应盐溶液的刺激。在多两性离子水凝胶中，带正电和带负电的基团同时位于分子链上。因此，水凝胶中带相反电荷的基团之间存在静电相互作用，导致可逆的物理交联形成。盐溶液可以通过分别与带正电荷和带负电荷的基团结合的盐离子来破坏这些静电相互作用。因此，聚两性电解质水凝胶具有许多出色的功能，例如可拉伸性，自愈性，自粘和导电性以及SME 。
【科研摘要】
由多功能水凝胶制成的WFE提供了一种监控人类健康方法。最近，西南交通大学周绍兵教授团队设计和制造了一种具有盐介导的三重SME ，离子电导率（0.24–3.06 S m-1），高拉伸性（高达1500％）和自愈特性（高达70％）的超分子聚两性水凝胶。可用作形状记忆传感器和应变传感器。相关论文Salt-mediated triple shape-memory ionic conductive polyampholyte hydrogel for wearable flexible electronics发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。 SME赋予传感器通过视觉形状转换来检测盐溶液中浓度变化的能力。导电性使传感器在检测到人体运动时对即时电信号做出反应，而可拉伸性则使传感器承受大规模的机械变形。自发的自愈和自粘功能使传感器具有更高的可靠性，更长的使用寿命以及对人体皮肤的良好附着力。因此，这种多功能水凝胶可以成为精确，方便地监测人体健康的良好选择。
【文图解析】
3.1 聚两性电解质水凝胶的合成
首先合成了UM的物理交联剂，并通过FTIR和1H NMR对其进行了表征。 P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝胶是通过阳离子单体DMAEA-Q ，阴离子单体NaSS和UM的物理交联剂的一步共聚反应合成的（图1a）。在该水凝胶中，阳离子基团和阴离子基团可以形成多个离子键。由于无规共聚作用，水凝胶通过链间和链内复合作用而在水凝胶中存在强度不同的离子键。聚两性电解质水凝胶P（NaSS-co-DMAEA-Q）的无规结构通过1H NMR反应动力学研究得到证实。该聚合过程导致网络结构的不均匀性。因此，在透析过程中，富含NaSS的链段（在聚合开始时形成）和富含DMAEA-Q的链段（在聚合结束时形成）将形成强离子络合物结构，而其他部分导致弱离子络合物。此外，物理交联剂UM可以在水凝胶中形成稳定的氢键（图1e）。因此，该两性电解质水凝胶可能具有盐响应性的三重SME ，其中稳定的氢键保持稳定并充当永久交联网络，而强和弱的离子键可以在各种浓度的盐溶液中被破坏并充当可逆的交联网络。水凝胶在高浓度盐溶液（I型）中显示其原始形状，在低浓度盐溶液（II型）中显示一个临时形状，而在去离子水中则显示III型（图1e）。