广州大学刘鹏副教授与英国华威大学谢丰蔚研究员：用淀粉构建具有良好生物相容性的柔性传感材料

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最近，广州大学化学化工学院、广东省节能环保精细化学品工程技术研究开发中心刘鹏副教授所在团队以纯淀粉为基材，构建了透明柔韧、价格低廉、生物相容性好的柔性传感材料。相关工作以Facile Preparation of Eco-Friendly, Flexible Starch-Based Materials with Ionic Conductivity and Strain-Responsiveness为题，作为封面文章发表于国际学术期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering。广州大学刘鹏副教授为论文第一作者，广州大学汪黎明教授和英国华威大学谢丰蔚研究员为共同通讯作者，广州大学硕士研究生马聪和李颖是论文的共同作者。

柔性传感材料可以与人体紧密贴合,具有柔韧的机械灵活性，能通过弯曲和拉伸来适应身体运动，并产生电信号响应，为穿戴者提供实时监测信息。其应用于物联网、云空间等技术中，可保证人体健康数据采集的准确性和实时性，从而为用户的健康生活提供保障，在医疗、健康、运动领域均有广阔的应用潜力。为提高传感材料与人体的生物相容性，学者们主要以海藻酸钠、纤维素、壳聚糖、淀粉等天然高分子物质为基材，设计制备柔性导电水凝胶。其中淀粉以其低廉的价格而备受关注。

但淀粉分子的束水能力弱，导致淀粉凝胶中水分含量低，不利于电活性物质的迁移，凝胶的导电性和传感能力弱。而提高凝胶中的水分含量，又会导致凝胶难以成型，只能以粘稠的糊状物存在，不具备机械性能。

针对上述问题，课题组在前期发现的无机盐溶液能解构高直链淀粉颗粒的基础上，构建了一种简便、低能耗、绿色的淀粉基柔性导电水凝胶的加工方法：将一定浓度的氯化钙溶液与高直链淀粉混合，80℃加热5分钟，冷却后即可得到透明、柔韧、具有刺激响应性能、且生物相容好的柔性传感材料。整个工艺过程无三废排放。凝胶体系中，盐离子与淀粉分子形成的配合物加强了淀粉凝胶的网络体系和束水能力，提高凝胶的水分含量，从而为电活性物质提了供迁移的通道。同时未参与形成配合物的盐离子，又是自由的电活性物质。当外加电场后，可在凝胶体系中定向迁移，实现导电。而当材料受外力作用发生形变时，离子的迁移通道发生变化，从而影响导电性能，产生传感信号。

图1 透明、生物相容性好、可挤出成型的淀粉基柔性导电材料

利用此工艺制备的淀粉基柔性传感材料，拥有良好的导电性、机械性和灵敏的刺激响应性：材料电导率3.7–9.2 Ω∙m，与常规传感材料相当；杨氏模量4–9 MPa，拉伸强度500–1300 KPa，断裂伸长率15-32%，与聚二甲硅氧烷（PDMS）基材相当；材料可对拉伸、压缩导致的应变产生电信号响应，且当应变仅为1%，就可产生显著的电信号变化，能满足可穿戴设备的使用需求。而更为重要的是，材料的生物相容性良好，金鱼吞食后不会产生明显的不良反应。此外，该材料在冷却成型前的热糊状态下具有一定的流动性和挤出成型性，可用于3D打印。

图2 淀粉基传感材料的刺激响应性及实际传感测试

上述研究成果，构建了一种淀粉基柔性导电材料的便捷制备方法，拓展了淀粉在柔性传感材料领域中的应用。以淀粉为基材可以设计出一系列生物相容性好、价格低廉的柔性传感材料。

课题组的系列工作发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers等学术期刊。该研究获得了广东省自然科学基金、广州市科技计划项目（珠江科技新星专项）等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07473

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034

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