ACS AMI：基于可控疏水-亲水的导电水凝胶，用于可调式柔性压力传感器

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体积可控压力响应型水凝胶是一种具有3D网络结构和亲水性−疏水平衡的交联聚合物，具有吸水能力。通过控制水凝胶的疏水性，可以影响水凝胶的溶胀动力学、扩散速率、体积转变和松弛速率等不同因素。基质疏水性的变化影响凝胶的致密性、尺寸结构和密度，从而影响凝胶的静电相互作用和力学性能。因此，通过调节水凝胶的疏水性，可以根据它们对水的亲和力将它们用于不同的用途。通常，导电水凝胶含有导电填充物，如金属纳米颗粒、导电聚合物或碳基材料。作为导电填料的一部分，碳基材料，如碳点（CDs）和聚合物点，由于其低毒、易官能化和良好的水溶性，使其成为导电材料和水凝胶制造的有力候选者，特别是在生物领域的应用。

韩国国立交通大学Sung Young Park教授团队设计了一种疏水性碳点纳米颗粒(f-CD)，将其与聚乙烯醇和邻苯二酚偶联壳聚糖混合，得到了一种适合于压力和振动传感器应用的水凝胶。负载f-CD的疏水性对其力学性能和电信号采集起着重要作用。它还会影响不同的流变可逆性和形状恢复率，从而影响体积转变。这些特性受所制备的水凝胶的致密性、尺寸结构和密度的影响。结果表明，具有高疏水性的水凝胶具有刚性结构（剪切模量为8123.1 N·m⁻²），而亲水性水凝胶的剪切模量为6065.7~7739.2 N·m⁻²。此外，当以不同的力压缩时，对机械地依赖于体积转变的水凝胶的电阻率变化（最高可达17.3±1.3%）和电容变化（最高可达145%）均有影响。这种具有可控疏水-亲水内部结构的水凝胶显示出独特的敏感性，在可穿戴电子皮肤、实时临床保健监测和人类−计算机交互方面具有巨大的应用潜力。

图1（a）CD合成和水凝胶制备示意图；（b）水凝胶在10N重量下压缩的压敏原理和照片；（c）水凝胶A、B和C在加载/卸载循环过程中的压缩应力−应变曲线；（d）制备的水凝胶（a、b和c）的典型应力−应变曲线；（e）水凝胶A、B和C的水凝胶粘附性和最大剥离力曲线图；

图2（a）水凝胶在不同剪切应变（0.1-100%）下的流变性；（b）使用扭转测试进行定性恢复时间分析

图3（a）不同f-CD比例（1：8：2）的水凝胶[PVA/C-壳聚糖/f-CD（10：1：X）]的相对电阻；（b）合成不同f-Si比例的f-CD的水凝胶[PVA/C-壳聚糖/f-CD（10：1：3）]的相对阻力[PGC/TEOS/f-Si（1：8：X）]；（c）水凝胶A、B、C对压力的响应特性；（d）重复压力加载/卸载过程中的水凝胶A、B和C响应

图4（a）电容式压力传感器原理图设计；（a-1）在不同压力下加载期间的相对电容变化；（b）电容式可逆性评估图解；（b-1）水凝胶在不同压力（10、20和40 kPa）加载和自动释放过程中的电容可逆性

图5（a）使用预制水凝胶进行笔迹分析的图解；（b）在I、V和O笔迹分析过程中的相对阻力响应；（c）在水凝胶B表面书写时K-N-U-T电阻信号；（d）使用不同PVA/C-壳聚/f-CD水凝胶的声带振动示意图；（e）分析一个八度音域内的声带阻力；（f）在说“哈”时新型水凝胶的电阻响应；（g）连接智能手机期间水凝胶B的无线通信

以上研究以“Tunable Pressure Sensor of f-Carbon Dot-Based Conductive Hydrogel with Electrical, Mechanical, and Shape Recovery for Monitoring Human Motion”为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c16745）上。第一作者为韩国国立交通大学的Benny Ryplida，通讯作者为韩国国立交通大学Sung Young Park教授。

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