华东理工：受贻贝启发的PDA/CNT复合水凝胶，用于智能可穿戴产品

成果简介

基于导电水凝胶的柔性传感器在智能可穿戴电子产品领域引起了极大的兴趣。然而，鉴于传统水凝胶通常表现出独特的功能和脆弱的机械性能，多功能水凝胶的开发仍然是一个重要的挑战。本文，华东理工大学汪济奎 ,教授《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“A mussel-inspired semi-interpenetrating structure hydrogel with superior stretchability, self-adhesive properties, and pH sensitivity for smart wearable electronics”的论文，研究受贻贝的启发，以聚多巴胺（PDA）包覆的碳纳米管（CNTs）为原料，制备了具有优异的拉伸性、附着力、pH敏感性和抗菌活化的多功能导电水凝胶。

特别是， 构建了具有多个交联位点的半互穿网络结构， 使这种水凝胶具有超强的拉伸能力（1904%）和抗疲劳性。体系中的 PDA-CNT 不仅赋予了水凝胶自粘性，还在 Al3+ 的协同作用下促进了离子和电子的高效转移，从而提高了灵敏度（GF = 3.81）和循环稳定性。基于这种水凝胶的柔性传感器可用于检测人类的各种活动，在信息传感和传输领域也展现出巨大的潜力。

图文导读

图1、（a） PDA-CNTs纳米填料的合成工艺和反应机理;（b）PDA-CNTs/CMC/PAA水凝胶的程序图。

图2、PDA-CNTs 和 PDA-CNTs/CMC/PAA 水凝胶的结构和形态

图3、PDA-CNTs/CMC/PAA 水凝胶的机械特性

图4、PDA-CNTs/CMC/PAA 水凝胶的自粘性能

图5、PDA-CNTs/CMC/PAA水凝胶的溶胀特性和pH敏感性

图6、PDA-CNTs/CMC/PAA 水凝胶的电学特性和应变传感行为

图6、 应变传感器在监测人体大动作和细微动作时的传感能力。

图7、PDA-CNTs/CMC/PAA水凝胶的抗菌特性

小结

总之，采用一锅法成功制备了一种具有半 IPN 结构的多功能水凝胶传感器。由于体系中存在多重交联，PDA-CNTs/CMC/PAA 水凝胶表现出优异的拉伸性能（1904%）和韧性（1109.8kJ m-3）。贻贝启发的 PDA-CNT 加入水凝胶后增强了水凝胶网络，并赋予水凝胶良好的粘附性。在溶胀测试中也能观察到水凝胶出色的 pH 敏感性。PDA-CNT与系统中的Al3+ 可实现高效的离子和电子协同传导，使水凝胶的电导率达到 40.1mS cm-1，灵敏度 GF 值达到 3.81，从而使水凝胶传感器在大范围的应变检测中表现出优异的应变稳定性和耐用性。

此外，PDA-CNTs/CMC/PAA水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很好的抑菌作用。研究结果进一步证明，这种水凝胶传感器不仅可用于实时检测人体的各种活动和微小肌肉变化（如面部表情、吞咽、说话等），还可用于信息识别和传输，在个性化健康监测和可穿戴设备的信息加密方面具有广阔的应用前景。这项研究为制备和应用多功能导电水凝胶提供了新思路。

文献：

• https://doi.org/10.1039/D3TC02720A