寧波材料所在高性能梯度水凝膠壓力傳感器研究方面取得進展

　　柔性可穿戴壓力傳感器因其優(yōu)異的響應(yīng)性和復(fù)雜曲面適應(yīng)能力，在健康監(jiān)測、智能醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但是，受限于材料本身的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的壓力傳感器難以同時實現(xiàn)高靈敏度和寬壓力檢測范圍。梯度結(jié)構(gòu)離子導(dǎo)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(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)離子導(dǎo)電水凝膠，仍然面臨挑戰(zhàn)。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進診療材料與技術(shù)實驗室生物醫(yī)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(fā)出了一種簡便易行的模量梯度離子導(dǎo)電水凝膠構(gòu)建策略，并用于構(gòu)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(yōu)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(chǎn)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(zhì)的相互作用，首次發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)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(jié)構(gòu)顯著增強了水凝膠的力學(xué)性能?；谏鲜鰴C理研究，團隊通過簡便的預(yù)聚液澆筑法，將不同植酸-聚合物的水凝膠整體構(gòu)筑為具有梯度模量的離子導(dǎo)電水凝膠壓力傳感器。該傳感器同時實現(xiàn)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(qū)域和富含微相分離的PAA/PA區(qū)域分別為壓力傳感器提供了優(yōu)異的低壓檢測能力和高壓響應(yīng)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(xiàn)靈敏的無接觸式響應(yīng)，對于聲音亦可實現(xiàn)特異且可重復(fù)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(xiàn)靈敏的檢測和響應(yīng)。將該傳感器組裝制作成無線傳輸式足底傳感陣列，可實現(xiàn)較高壓的足底壓力分布檢測，對于不同的靜態(tài)站姿和行走時的足底壓力變化均具有連續(xù)且穩(wěn)定的響應(yīng)。此外，PA還賦予了水凝膠優(yōu)異的抗菌性能和生物相容性，為該壓力傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 

　　該工作以“Phytic Acid-induced Gradient Hydrogels for Highly Sensitive and Broad Range Pressure Sensing”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。寧波材料所與上海大學(xué)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(xué)尹靜波教授、寧波大學(xué)附屬第一醫(yī)院沈毅主任醫(yī)師為論文共同通訊作者。該工作得到了中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會和寧波市重點研發(fā)計劃的支持。
 

植酸誘導(dǎo)的模量梯度離子導(dǎo)電水凝膠用于高靈敏寬范圍壓力傳感