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( 二 ) 机械|sm|互联网医疗

图1由P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）的多两性电解质组成的三重SMH的示意图。
3.2水凝胶形貌结构
在P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝胶的制备过程中，总离子单体浓度为2.0 M ，相对于总单体浓度，水凝胶的UM浓度为0-10 mol％。共聚后，获得了浑浊或透明的均匀水凝胶相（图2a）。 FTIR检测到了水凝胶的化学结构，如图2b所示。 ?峰位于1560 cm-1（NH）， 1490 cm-1（C-N+）， 1122 cm-1、1034 cm-1和1008 cm-1（C–SO3-）分别归因于UM ， DMAEA-Q和NaSS 。 UM为0％和1％的水凝胶的SEM图像显示出不同的内部结构，如图2c所示。含有1％UM的水凝胶具有高密度的小孔基质，这与包括高交联度（通过氢键）的硬质基质一致。由于交联度较低，不含UM的水凝胶基质显示出大孔。如图2d所示，水凝胶在原始状态下并浸入0.5 M NaCl或2.0 M NaCl溶液中的SEM图像也显示出不同的内部结构。浸泡在0.5 M NaCl溶液中的水凝胶（通过强离子键和氢键）比原始状态下的水凝胶（通过强和弱离子键和氢键）显示出更大的孔基质，说明交联度随增加盐溶液的浓度。浸入2.0 M NaCl溶液中的水凝胶显示出最大的孔基质，因为它具有最低的交联度（仅通过氢键）。
图2（a）用不同的UM含量聚合的两性水凝胶P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）的照片。（b）具有不同物理交联剂单体UM含量凝胶在25°C的FTIR光谱。（c）原始状态下的P（NaSS-co-DMAEA-Q）和P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM1％）的SEM图像。（d）水凝胶P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM1％）的原始状态和浸入0.5 M NaCl或2.0 M NaCl溶液直至溶胀平衡后的SEM图像。
3.3机械性能
当应变传感器用于诸如关节活动的健康监测时，为了满足关节运动，水凝胶的高拉伸性是所期望的。作为一种超分子水凝胶， P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝胶中离子键和氢键的数量对其机械性能具有重要影响。根据图3a所示的拉伸应力-应变曲线中的相关数据，水凝胶中UM比例的增加导致弹性模量（E）从约13 kPa显着提高到约120千帕这说明UM单体的脲基之间形成的氢键相互作用随着UM含量的增加而增强，从而导致水凝胶中的交联密度提高。因此，水凝胶的弹性模量随着UM含量的增加而增加。另外，水凝胶的断裂应力σb（40–140 kPa）和断裂伸长率εb（500–1500％）可以通过UM的比例进行调整。在图3b中，拉伸应力-应变曲线显示了具有各种交联剂（如UM ， NAGA和MBAA）的水凝胶的机械性能。 NAGA还可以提供氢键相互作用，而MBAA可以在水凝胶中形成化学交联。对于具有各种含量的UM的水凝胶，测量了在1％的小应变下的储能模量G'和损耗模量G''（图3c）。
图3（a）不同UM含量的氢的拉伸应力-应变曲线。（b）具有各种交联剂的氢的拉伸应力-应变曲线。（c）通过流变学测量在1％应变下的储能模量G'（左）和损耗模量G''（右）的频率依赖性。
3.4形状记忆
形状记忆特性赋予水凝胶以外部刺激作用的形状变形。具有可逆离子键和稳定氢键的两个非干扰性超分子相互作用系统的设计使P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝胶具有三重SME 。在图4a中，将原始的形状状态水凝胶浸入2.0 M NaCl溶液中30分钟。 Na+和Cl-引起离子键的断裂并增加了聚合物链段的动力学，因此水凝胶是透明的，这赋予了水凝胶形状记忆能力。通过在2.0 M NaCl和0.5 M NaCl溶液之间进行相同操作，由于形成了牢固的离子键，在0.5 M NaCl溶液中固定了螺旋状形状，并且可以在2.0 M NaCl溶液中恢复原始形状（图4b）。同时，当水凝胶在0.5 M NaCl溶液和去离子水之间进行相同的操作时，在去离子水中获得了螺旋状的形状，这主要是由于这样的事实，即弱离子键的形成和原始形状可能是在0.5 M NaCl溶液中回收（图4c）。图4d展示将一条直线的水凝胶变形并固定在0.5 M NaCl溶液中，以得到临时形状I ，然后可以再次变形并浸入去离子水中以稳定临时形状II 。通过破坏弱离子键，具有“ S”形的弯曲水凝胶从暂时形状II恢复为暂时形状I 。由于浸泡在2.0 M NaCl溶液中时SO3--N+交联键解离，它最终变得笔直。
图4（a–c）双重SME 。（a）2.0 M NaCl溶液和去离子水之间的形状记忆行为。（b）2.0 M NaCl和0.5 M NaCl溶液之间的形状记忆行为。（c）0.5 M NaCl溶液和去离子水之间的形状记忆行为。（d）三重SME 。（e）SME（Rf和Rr）对双重形状记忆行为的定量结果。（f）Rr取决于在2.0 M NaCl溶液中的时间。
3.6 自愈和自粘性能
当WFE用于监视人类活动时，它们在实际操作过程中会由于人体运动而容易受到损坏。因此，需要自愈能力来延长WFE的使用寿命，并通过在WFE的故障下进行自愈并返回其原始结构和功能状态来提高其使用寿命。