重庆大学/河北工大AFM：具有传感、防紫外线、保水和防冻功能的多功能离子皮肤

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一、文章概述

离子皮肤被认为是可以替代人类皮肤的最有吸引力的候选者。它具有与人体皮肤相似的功能，例如能够感应不同类型的力（拉力和压力）和温度变化。此外，它还具有人类皮肤不具备的功能，例如感知超声波和湿度变化的能力以及光致变色的能力。在离子皮肤领域，导电水凝胶逐渐成为研究的热点。它主要具有以下优点：1）水凝胶的弹性模量与人体皮肤的弹性模量（1-100 kPa）相似，因此表现出类似组织的柔软性；2）具有较高的柔韧性和透明度、低毒性、良好的自修复和自粘能力以及生物相容性；3）原材料的组合是可变的，并且可以组合不同类型的聚合物以形成双网（DN）、三网（TN）、互穿网（IPN）等，从而可以显着提高机械性能；4）结构设计灵活多样，可以方便快捷地将水凝胶制成样式可变的设备，以用于特定场景。

重庆大学Huiming Ning和河北工业大学Ning Hu老师研究团队开发了一种透明的高离子导电水凝胶，该凝胶集传感、紫外线过滤、保水、防冻和生物相容性能于一体，可用作离子皮肤。在这种策略中，一维纳米填料单宁酸涂层的羟基磷灰石纳米线（TA@HAP NW）、AlCl₃和PVA均匀地分散在乙二醇（EG）和水（W）的二元溶剂中。通过这种组合，TA@HAP NW在紫外线过滤中发挥了作用，并改善了机械性能。同时，EG和水的二元体系可减轻零度以下的水冻结和高温下的水蒸发，并且Al³⁺在分子级水通道中的自由运动使其对应变变化更加敏感。结果表明，优化的水凝胶显示出传感、紫外线过滤、保水、防冻性能以及高电导率（1.00×10^-2 S/cm）、良好的透明度和生物相容性。TA@HAP NWs-PVA（EG/W）水凝胶的最突出特点是，当将该离子皮肤用作应变传感器时，它具有宽的线性传感范围（350％）和高灵敏度（GF = 2.84），在该研究领域处于领先水平。同时，与纯PVA（EG/W）水凝胶相比，其极限拉伸强度、极限拉伸应变和韧性分别提高了100％、180％和330％。这些优异的性能表明，本文所开发的离子导电水凝胶在促进新型多功能离子皮肤的构建方面具有重要作用。

二、图文导读

TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的具体合成路线和设计策略如图1所示。首先，通过一步水热反应合成了超长HAP纳米线。其次，合成了TA@HAPNWs浆料。接下来，将TA@HAPNW、PVA和AlCl₃粉末添加到预先制备的EG和水的二元溶剂中，并在95℃下搅拌4h。最后，使用三个冻融循环来获得具有透明性、紫外线过滤功能、低温抗冻性、高温保湿性、强机械性能、宽线性范围灵敏度、传感性能和生物相容性的多功能水凝胶。

TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的合成路线示意图。

a）制备超长羟基磷灰石纳米线（HAPNWs）前体。

b）通过水热反应制备HAPNWs溶液，并在碱性环境中添加TA。

c）通过原位氧化沉积，添加PVA和AlCl₃合成的TA包覆的HAPNW。

d）TA@HAPNWs-PVA（EG/W）浆料的浇注成型。

e）通过三个冻融（F-T）循环制备透明水凝胶。

a）相对电阻变化率-应变曲线。

b）散点图，显示某些典型报道的应变传感器在应变率600％以内的应变系数。

c）6000s（300个循环）的循环拉伸曲线。

演示人体中的拉伸应变感应，例如a）手指关节在45°，90°和180°处的弯曲。

b）肘部分别以45°，90°和180°弯曲。

c）膝盖处于半弯曲状态和完全弯曲状态（保持弯曲状态3s）。

d）稍微张开嘴巴，张开嘴巴。

e）压力传感器的相对电容变化率-压力曲线。

f）温度传感器的相对电阻变化率-温度曲线。

水凝胶的拉伸和压缩力学性能。

a）拉伸应力-应变曲线图。

b）拉伸应力和拉伸应变的平均值和标准偏差图。

c）弹性模量和韧性值的平均值和标准偏差图。

d）压缩应力-应变曲线图。

e）不同拉伸速率下的应力-应变曲线。

f）水凝胶的各种机械行为（扭转，弯曲，打结和拉伸）。

a）可见光谱透射率图。

b）紫外光谱透射图和c）PVA（W），PVA（EG/W）和4wt％TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的365和550nm光谱带的透射直方图。

d）TA@HAPNW反射紫外光并透射可见光的机理图。

e）展示导电水凝胶作为防紫外线的皮肤贴剂。

a）PVA（W），PVA（EG/W）和4wt％TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的重量变化率曲线（环境温度37°C，相对湿度40％）。

b）TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的保湿和防冻机理示意图。

c）从100到30°C的PVA（W），PVA（EG/W）和4wt％TA@HAPNWs-PVA（EG/W）水凝胶的差示扫描量热法（DSC）。

d）在−30°C下点亮4 wt％TA@HAPNWs-PVA（EG/W）的LED灯。在演示之前，将导电水凝胶在-30°C下保存24小时。

e）演示导电水凝胶作为防冻皮肤贴剂。

原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202011176

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