【儀表網 研發快訊】在極端環境里，柔性傳感器這類新興科技能大大拓展人類感知信息的邊界，成為守護安全的 “科技護盾”。而柔性傳感器中，水凝膠傳感器憑借其出色的柔韌性、可調制的物化性能和穩定的生物兼容性，能夠可靠地將外界的拉伸、壓力、溫度等變化轉換為可被探測的信號，從而實現運動監測、人機交互等多種有效的應用。然而，常規的水凝膠傳感器在面臨極端環境帶來的高溫、高鹽、極寒等惡劣條件時，由于其內部大量可脫出的“自由水”和稀疏的聚合物鏈交聯，往往會發生脫水、斷裂等問題，從而導致其性能的下降和失效。
為了匹配極端環境使用需求，水凝膠傳感器往往需要同時兼具傳感性能、環境耐受性和生物相容性；而例如高濃度鹽溶液強化等策略往往會在單一指標提升(如機械強度)的同時，引入新的干擾因素(如高濃度離子帶來的高滲透壓)，造成其它性能(如生物相容性)的下降。因此，如何在保證綜合性能不受到損害的前提下，實現對水凝膠性能的高效調制增強，是當前研究亟需解決的問題。
復旦大學未來信息創新學院張榮君教授團隊和復旦大學附屬口腔醫院韋曉玲主任團隊研發成功用于極端環境和多維感知的水凝膠傳感器。近日，相關研究成果以“Bamboo-Basket-Inspired Stepwise Modulated Hydrogel for Multifunctional and Extreme-Environment Sensing”為題發表于國際期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。
團隊在研究中發現，竹籃具備非常出色的功能性，而這種功能性不僅來自于竹條自身的多組分集成，也來自于竹籃獨特的編織過程——先將雜亂的竹條分散，挑選編織成一個基本的框架，再將竹條纏繞在框架上，極其高效地構建了均勻、致密交聯的竹籃，避免了由于局部竹條不均勻纏繞帶來的性能下降。受此啟發，團隊提出了一種水凝膠調制策略，就是將聚乙烯醇(PVA)、氧化羧甲基纖維素鈉(OCMC-Na)和明膠(Gel)多組分構成的水凝膠中每個細小的微區視為“竹條”，先通過MgCl2的鹽溶效應削弱氫鍵，將“竹條”分散；再利用定向冷凍構建稀疏交聯的“框架”；最后通過Na3C6H5O7的鹽析效應將框架纏繞形成“竹籃”般均勻、致密交聯的PCG-x水凝膠。
圖1 (a)傳統定向冷凍構建策略存在的問題示意圖；(b)“竹籃”啟發的構建策略示意圖
得益于高效的調制效率，該策略允許在生物相容的低離子鹽濃度下實現水凝膠的性能提升，從而完美匹配極端環境下的使用需求。在該策略下，制備的PCG-0.5水凝膠在739%應變下展現出4.9 MPa的機械強度，能夠識別應變、壓力和溫度的變化，并且能夠在60 ℃的高溫、-75 ℃的超低溫以及海水環境下實現有效的應變傳感；同時，實驗表明在生物體內植入4周后依舊展現出優異的相容性。研究基于CNN模型構建了傳感信號的快速識別系統，并結合光譜和理論計算深度闡明了逐步氫鍵調制的詳細機制。
圖2 (a)極寒環境手勢交流示意圖；(b)極寒環境模擬測試示意圖；(c)基于CNN模型的信號處理過程
圖3 “竹籃”啟發水凝膠的綜合性能以及潛在應用示意圖
該團隊基于水凝膠傳感器極端環境不耐受、改性策略無法兼顧綜合性能的局限性，從竹籃編織的過程獲得啟發，提出了一種與竹籃編織類似的逐步氫鍵調制策略，高效實現了水凝膠傳感性能、環境耐受性和生物相容性的綜合增強。研究基于光譜手段對其氫鍵調制的機制進行了詳細的分析論述，為相關水凝膠的性能調控提供了全新的思路和充分的理論基礎；得益于簡單的制備策略和出色的綜合性能，研究亦有利于水凝膠傳感器走向進一步的體內/體外監測、人機交互等諸多領域的廣泛應用。
復旦大學未來信息創新學院2023級博士生方紹鈞和復旦大學附屬口腔醫院周強強醫生共同擔任文章第一作者，張榮君教授和韋曉玲主任共同擔任通訊作者。
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