【儀表網 研發快訊】柔性可穿戴壓力傳感器因其優異的響應性和復雜曲面適應能力，在健康監測、智能醫療等領域具有廣泛應用。但是，受限于材料本身的均質結構，傳統的壓力傳感器難以同時實現高靈敏度和寬壓力檢測范圍。梯度結構離子導電水凝膠為解決這一難題提供了策略，但如何通過簡便的方式構建梯度結構離子導電水凝膠，仍然面臨挑戰。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進診療材料與技術實驗室生物醫用高分子材料團隊基于植酸-聚合物相互作用機理研究，開發出了一種簡便易行的模量梯度離子導電水凝膠構建策略，并用于構筑高性能壓力傳感器。該傳感器具有更寬的壓力檢測范圍、更優異的低壓檢測能力和更高的整體靈敏度，可有效識別聲波和氣流引起的微弱壓力、由說話和手指按壓產生的中度壓力以及較高量級的足底壓力。
研究人員通過研究植酸(Phytic acid，PA)與水凝膠基質的相互作用，首次發現了植酸與不同聚合物之間存在明顯不同的作用方式。在聚丙烯酰胺/植酸(PAM/PA)水凝膠中，PA在PAM網絡中表現出明顯的增塑作用，增加了PAM分子鏈的活動能力，顯著降低了水凝膠的模量。而在聚丙烯酸/植酸(PAA/PA)水凝膠中，PA促進了PAA的微相分離，其相分離結構顯著增強了水凝膠的力學性能。基于上述機理研究，團隊通過簡便的預聚液澆筑法，將不同植酸-聚合物的水凝膠整體構筑為具有梯度模量的離子導電水凝膠壓力傳感器。該傳感器同時實現了高靈敏度(9.00 kPa-1，<15 kPa)和寬壓力檢測范圍(3.7 Pa ~ 1200 kPa)。值得注意的是，在梯度水凝膠中，富含增塑作用的PAM/PA區域和富含微相分離的PAA/PA區域分別為壓力傳感器提供了優異的低壓檢測能力和高壓響應性。對于不同頻率(100 Hz ~ 6000 Hz)和振幅(70 dB ~ 100 dB)的聲波，該水凝膠傳感器可以實現靈敏的無接觸式響應，對于聲音亦可實現特異且可重復的識別。該傳感器還可靈敏感知流速低至0.2 m/s的微弱氣流。進一步的，對于脈搏、肌肉振動等生理信號，以及壓力較大的手指按壓，該傳感器均可實現靈敏的檢測和響應。將該傳感器組裝制作成無線傳輸式足底傳感陣列，可實現較高壓的足底壓力分布檢測，對于不同的靜態站姿和行走時的足底壓力變化均具有連續且穩定的響應。此外，PA還賦予了水凝膠優異的抗菌性能和生物相容性，為該壓力傳感器在生物醫學領域的應用奠定了基礎。
該工作以“Phytic Acid-induced Gradient Hydrogels for Highly Sensitive and Broad Range Pressure Sensing”為題，發表在學術期刊Advanced Materials上。寧波材料所與上海大學碩士合培生宋磊為第一作者，寧波材料所王榮研究員、上海大學尹靜波教授、寧波大學附屬第一醫院沈毅主任醫師為論文共同通訊作者。該工作得到了中國科學院青年創新促進會和寧波市重點研發計劃的支持。
植酸誘導的模量梯度離子導電水凝膠用于高靈敏寬范圍壓力傳感
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