《具有热兼容性和长期稳定性的可穿戴水凝胶表皮传感器，用于智能比色多信号监测》

具有热兼容性和长期稳定性的可穿戴水凝胶表皮传感器，用于智能比色多信号监测

期刊：Advanced Healthcare Materials（IF=10）

通讯单位：西安交通大学

基于水凝胶的可穿戴式表皮传感器(HWESs)在健康监测领域受到了广泛关注，特别是考虑到其显色读出能力。然而，由于水的存在，HWESs在极端温度下长期稳定工作仍然具有挑战性。本文以具有高透明度(透光率超过90%)、高拉伸性(可达1500%)和对各种基材具有良好粘附性的防冻防干水凝胶为基础，开发了一种具有热兼容性和长期稳定性的可穿戴透明表皮传感器，用于智能比色多信号监测。水凝胶由聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和单宁酸包覆的纤维素纳米晶体在甘油/水二元溶剂中组成。当甘油容易与水形成强氢键时，水凝胶表现出出色的热相容性。此外，水凝胶在长期储存(45天)或在零下(- 20°C)温度下仍能保持良好的附着力、拉伸性和透明度。对于智能比色多信号监测，采用独立式智能比色HWESs同时监测pH、T和光，其中比色信号可通过人工智能策略实时读取和存储。综上所述，所开发的可穿戴透明表皮传感器在长期健康监测中具有巨大的潜力，可以监测具有可见读数的多信号。

结论

作者开发了一种具有热兼容性和长期稳定性的HWES，用于智能比色多信号监测，该HWES基于抗冻和抗干水凝胶，对各种底物具有强大的粘附性(图1)。TA@CNCs被添加到丙烯酸AA(单体)、丙烯酰胺AM(单体)、APS(引发剂)、MBA(化学交联剂)、甘油和水中。然后通过自由基聚合成功地合成了这些GWHs。TA是一种天然的多酚化合物，在儿茶酚群中含量充足，可以在各种底物上保持粘附性，这有助于氧化多酚的儿茶酚群模仿贻贝的粘附机制。将TA@CNCs基序结合到PAA-PAM中，可以通过共价和非共价相互作用在儿茶酚基团和羧基/氨基之间架起桥梁，提供优异的机械性能。甘油-水二元溶剂可以抑制冰晶的形成，消除热相容性和长期稳定性之间的权衡。

为了评估GWHs的粘附性能，进行了搭接剪切试验，观察到它们可以牢固地附着在各种基材上，如橡胶、塑料、纸张、金属和玻璃(下图A)。此外，即使在运动过程中，GWHs也可以与人的手指进行亲密接触，这显示出可穿戴传感器应用的巨大潜力(图B)。与商用透明胶带和胶布相比，将GWHs夹在猪皮之间时，其粘合强度表现出更好的性能(图C)。此外，GWHs的粘接性能也表现出良好的稳定性和可重复性。在猪皮等基材上连续剥离10次后，附着力仍保持原值40-65%(图D)，仍优于市售产品。脱皮过程中化学相互作用和能量耗散的协同作用是GWHs优异附着力的主要原因。由于水凝胶中有足够的官能团，特别是TA中的儿茶酚基团，水凝胶与底物之间可以形成氢键。

为了评估GWHs的热相容性，将它们保存在25°C的温度下，每天1天(下图)。它们优异的热相容性取决于混合物中甘油的体积百分比(vol%)。在- 20℃时，甘油含量在0-25%范围内形成冰晶。当它从50%增加到75%后，GWHs保持其完整性而不冻结。在60℃时，当甘油含量低于50%时，GWHs不规则收缩。从50%增加到75%后，GWHs保持完整，没有明显的干燥。

通过单轴拉伸试验，还观察到TA@CNCs的增强对力学性能的影响。这可能是由于相邻的刚性TA@CNCs与柔性聚合物相之间的强协同作用，产生了显著的增效作用。在连续的加载-卸载循环中，循环之间不间隔任何时间，显示了水轮机的弹性和恢复特性。所有循环的应力-应变曲线几乎重合，表现出典型的类弹性体行为。经过5次循环压缩后，回复率仍保持在峰值应力的85%以上，证明其具有良好的压缩弹性。这些结果表明，GWHs具有优异的弹性和可恢复性，这可归因于在变形过程中甘油、TA@CNCs和PAA-PAM链之间的非共价相互作用的高能量耗散。GWHs具有令人印象深刻的灵活性，可以承受扭曲、压缩或拉伸等大变形，并且具有卓越的弹性，可以在25°C下快速从变形中恢复(下图B)。GWHs在冷、热条件下均能保持良好的粘接强度和力学性能，优于不含甘油的水凝胶。不含甘油的水凝胶在- 20°C和60°C下储存一天后，由于冰晶的形成和水的高蒸发速率，分别失去了粘附性和机械性能。

为了检查GWHs的长期稳定性，在25°C下保存了45天，观察其保持的完整性(图A)。在二元溶剂体系中，保水剂甘油能有效地防止水的蒸发，使GWHs的重量损失较小，且仍保持原状。然而，不含甘油的水凝胶在最初一周后失重明显，含水量完全失去(图B)。GWHs在25°C和- 20°C下放置45天后表现出令人满意的机械性能和粘接强度(图4D,E)，这主要是由于保水剂甘油的存在，可以与水形成强氢键，防止其蒸发。因此，与不含甘油的水凝胶相比，GWHs保持初始状态并具有长期使用的更好性能。在寒冷和环境条件下，用GWHs覆盖45天后，可以清晰地看到“XJTU”标志(图C)。

现有具有可见读数的HWEs主要反映的是同一区域内具有相似颜色的多重刺激，由于肉眼难以辨别，用户无法准确捕捉。为了提高性能，通过将三种不同的比色染料分别封装到GWHs中，开发了具有可见读数的HWES(下图)。热致变色染料用于检测体温，因为这是异常健康状况的重要标志，包括发烧或高热。此外，溴百里酚蓝用于检测pH值，因为这里报道的传感器能够感知周围环境的pH值，从而保护皮肤的酸碱平衡。

转自：“科研一席话”微信公众号

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