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厦门大学叶美丹副教授课题组在柔性可拉伸多功能蚕丝水凝胶上取得新进展

发布时间:2020-02-26 浏览:204

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近年来,柔性、可穿戴电子产品正迅速出现在个性化医疗、人机交互、智能机器人等众多领域中。它们具有广阔的应用前景,例如,可穿戴健康监测、智慧医疗、智能家居和建筑、智能工厂和办公室、智能基础设施、环境监测等等。其中,用于制造柔性可穿戴电子产品的活性材料必须具有优异的功能性、良好的柔韧性、可靠的稳定性等特性。目前已经有许多关于柔性可拉伸电子器件的报道,然而,制备具有高弹性、高灵敏度和高稳定性的柔性多功能电子器件仍然是一个巨大的挑战。

针对柔性可拉伸多功能材料,叶美丹副教授团队设计了一种基于聚丙烯酰胺(PAM)和丝素蛋白(SF)的多功能导电水凝胶,它既可以用于拉力/压力传感器监测人体多种运动信号,又可以用于纳米摩擦发电机提供能源。PAM具有良好的生物相容性和可调弹性,在医学领域有着广泛的应用。然而,纯聚丙烯酰胺的力学性能较差,需要与其他材料相结合才能制备出性能优异的弹性体。蚕丝中的丝素蛋白作为一种天然蛋白,以其良好的生物相容性、显著的机械韧性、机械强度和低成本等特点备受关注。因此, 将PAM与SF复合可获得一种良好的弹性基底,满足可穿戴电子产品的拉伸性和耐磨性要求。此外,将一定量的氧化石墨烯(GO)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)混合到PAM/SF水凝胶中,使其具有一定的导电性;并且GO和PEDOT:PSS的加入可进一步提高水凝胶的拉伸倍率,从而制成PAM/SF/GO/PEDOT:PSS(PSGP)复合水凝胶(图1a-c)。

图1. PSGP水凝胶的制备与测试:(a)PSGP水凝胶、传感器和TENG的制造过程和结构示意图;PSGP水凝胶(b)在拉伸和(c)加工成不同形状的照片;PSGP拉力/压力传感器对(d)运动前后的呼吸频率和(e)手腕脉搏波形的检测;(f)基于PSGP水凝胶的TENG点亮20盏商用环保LED灯图片。

基于PSGP的柔性拉力/压力传感器显示了较宽的拉伸(2%-600%)和压缩(0.5-119.4 kPa)传感范围,同时具有响应速度快、高稳定性的特点,从而使它们能够检测一系列的人体运动信号,包括关节运动、面部表情变化、声音振动、脉搏、呼吸等(图1d-e);而且基于这种水凝胶的传感器对人体皮肤无过敏反应,具有良好的生物相容性。此外,PSGP水凝胶还可以组装成一种单电极纳米摩擦发电机器件(TENG),它能产生足够的能量直接点亮20个商用绿色发光二极管(LED)灯(图1f)。因此,这种水凝胶是一种适用于可穿戴电子设备的多功能材料,在健康与运动监测、软机器人、能源等领域具有广泛的应用前景。

以上相关成果以“Stretchable, Biocompatible, and Multifunctional Silk Fibroin-Based Hydrogels toward Wearable Strain/Pressure Sensors and Triboelectric Nanogenerators”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2020上。论文的第一作者为厦门大学物理科学与技术学院硕士研究生何发亮,通讯作者为叶美丹副教授。

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