川大辜海彬团队在生物质基水凝胶柔性传感器研究取得系列进展

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近日，四川大学轻工科学与工程学院辜海彬副教授团队基于生物质材料制备了多功能水凝胶柔性应变传感器，用于监测人体运动、模拟体外猪肺呼吸以及活体小白鼠的心脏跳动，相关研究成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Carbohydrate Polymers》和《ACS Applied Polymer Materials》发表。

辜海彬副教授研究团队通过以生物质（海藻酸钠，壳聚糖，β-环糊精，单宁酸等）为原料先后制备了一系列具有自愈合、抗菌、粘附、紫外屏蔽、刺激响应性、导电等多种性能的水凝胶，探索了其在柔性应变传感器领域的潜在应用前景。这些多功能水凝胶的设计及应用为可穿戴柔性传感器的设计提供了新思路。例如，该团队利用海藻酸钠，单宁酸，聚乙烯醇（PVA）和硼砂制备了一种多功能的水凝胶传感器。该水凝胶传感器具有很好的拉伸性，自愈性（自愈率>90%），pH 和果糖响应性、黏附性等性能，它可以较为精确地监测人体的运动行为（图1）。

图1. 海藻酸钠基水凝胶的性能及其作为传感器监测人体运动

相关研究成果以四川大学轻工科学与工程学院为第一单位发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“A Multifunctional, Self-Healing，Self-Adhesive，and Conductive Sodium Alginate/Poly(vinyl alcohol) Composite Hydrogel as a Flexible Strain Sensor”。四川大学轻工科学与工程学院博士研究生赵丽为本文第一作者，其导师李正军教授和辜海彬副教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金的资助。

该研究团队以明胶、β-环糊精和PVA等为原料制备了双网络（主-客体作用和硼酸酯键）的水凝胶柔性传感器。该水凝胶传感器表现出更好地机械性能和更高的自愈率（>95%），以及较好的应变敏感性，除了能监测人体的运动外，还能监测体外模拟的猪肺呼吸情况（图2）。

图2. 明胶基双网络水凝胶及其作为传感器监测人体运动以及模拟体外猪肺呼吸

相关研究成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“Multifunctional Self-Healing Dual Network Hydrogels Constructed via Host−Guest Interaction and Dynamic Covalent Bond as Wearable Strain Sensors for Monitoring Human and Organ Motions”。博士研究生刘雄为本文第一作者，其导师辜海彬副教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金的资助。

该团队后续又以羧甲基壳聚糖和β-环糊精等为基材，碳纳米管（CNTs）为填充物和主要导电物质制备了双网络水凝胶（硼酸酯键和Schiff base交联）。该水凝胶具有快速的自愈性、极高的自愈率（99%）、良好的机械性能及拉伸性、良好的细胞相容性和较高的灵敏性。此外，该水凝胶具有超高吸水率，可快速吸收湿组织表面的水分膨胀从而与组织形成良好的黏附作用。该双网络水凝胶通过组装成柔性传感器后除了用于监测人体的宏观运动外，还能很精确地贴附在小白鼠心脏（体内）监测其跳动（图3）。

图3. 壳聚糖基双网络水凝胶及其作为传感器监测人体运动以及小鼠体内心脏跳动

相关研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，题为“Rapid self-healing and self-adhesive chitosan-based hydrogels by host-guest interaction and dynamic covalent bond as flexible sensor”。硕士研究生任志军为本文第一作者，其导师辜海彬副教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c01343

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c03213

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861721009206?via%3Dihub

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.1c00805

来源：四川大学轻工科学与工程学院

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