中年|大连理工：仿贻贝的抗冻抗干的黏附性水凝胶传感器
甘油是一种沸点高、挥发性低、水溶性好的多元醇 ， 具有抗冻、无毒、可塑等优点 ， 广泛应用于化妆品、食品、医药等行业 。 因此 ， 引入不同比例的甘油和水的混合物作为“水”相 ， 可以提高水凝胶的防冻性能和低温性能 。 甘油可以大大降低水溶液的蒸气压 ， 从而显著降低其凝固点 。 同时 ， 甘油优良的保湿性 ， 可防止水分迅速蒸发 ， 使水凝胶保持长期湿润 。 此外 ， 当温度低于0℃时 ， 甘油与水分子之间形成的氢键也会阻碍冰晶格的形成 。
传统水凝胶的另一个高度关注的问题是当它们直接附着在人体上进行运动检测时 ， 缺乏对人体皮肤的自附着性 。 因此 ， 大多数用于生物传感器的水凝胶通常是通过医用胶带、绷带、粘合剂等固定在人体皮肤上 ， 导致了严重的皮肤损伤和水凝胶在长期使用中的处理问题 。 众所周知 ， 贻贝能够附着在几乎所有物质的表面 ， 这归因于贝壳角质层中的邻苯二酚结构 。 多巴胺(DA)是一种生物相容性分子 ， 与邻苯二酚具有类似的结构 ， 被认为是增强水凝胶附着力的合适候选 。 膨润土（BT）是一种以蒙脱石为主要成分的层状铝硅酸盐粘土矿物 。 BT独特的层状结构不仅表现出较高的吸水能力 ， 可达自身质量的10倍27的优势 ， 而且有利于水、小分子和聚合物之间的嵌入 。 以往的研究结果证明 ， BT与水溶性聚合物的结合是提高水凝胶韧性的有效方法 。
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近期 ， 大连理工大学宾月珍教授课题组成功地制备了具有防冻、抗干性能的自粘甘油水凝胶(G-水凝胶) 。 甘油水双溶剂体系具有良好的防冻、抗干性能 ， 保证了G-水凝胶在-15℃冷冻24小时或在室温下长时间保存后仍能保持弹性 。 聚多巴胺(PDA)插层膨润土(BT)掺入G-水凝胶 ， 使G-水凝胶具有良好的综合力学性能 。 剥离试验结果证实 ， G-水凝胶由于具有儿茶酚结构的PDA的存在 ， 对天然和合成材料具有良好的附着力 。 特别是G-水凝胶对应变和压力具有非凡的传感能力 ， 可以监测人的运动 。 该项研究成果以“Mussel-Inspired Self-Adhesive, Antidrying, and Antifreezing Poly(acrylic acid)/Bentonite/Polydopamine Hybrid GlycerolHydrogel and the Sensing Application”为题发表在国际著名期刊ACS Appl. Polym. Mater.上 。
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图1-G-水凝胶的制备和结构分析
在这个具体的工作中 ， 该团队创造性地结合了BT和DA的优点 ， 成功构建了一种灵感来源于贻贝的PDA/BT/PAA甘油水凝胶(G-水凝胶) ， 它同时具有优异的机械性能、自粘性能、防冻性能和长期可用性 。 采用正交试验研究了DA、BT、甘油对G-水凝胶的机械性能、附着力、防冻性等性能的影响 。 甚至冷冻24 h后15°C或放置在烤箱45°C 24 h水凝胶表现出出色的柔韧性与约750%的伸长率 。 同时,剥离测试显示,G-hydrogel可以黏附不同材料的表面 。 水凝胶的电导率约为0.035 S/m 。 这种g-水凝胶在室温下长期保存后 ， 其质量几乎没有变化 ， 说明它可以在普通生活环境下长期使用而不蒸发水分 。 值得注意的是 ， 通过记录凝胶电阻的变化 ， 在实时监测人体活动方面表现出非常高的灵敏度 。 综上所述 ， 这种自粘、抗干燥、防冻复合G-水凝胶可能是一种很有前途的柔性可穿戴设备的软材料 。
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图2-G-水凝胶的抗冻性能 。
水凝胶由以下两个步骤制备：(1)BT粉体按不同比例分散到甘油/水混合物中 。 在混合物中加入一定量的DA ， 连续搅拌4h ， 确保氧化聚合 。 (2)在DA/BT悬浮液中加入5gAA（丙烯酸）和0.022gMBAA, 0℃搅拌20 min ， 在N2气氛下加入1 mL过硫酸铵(APS)水溶液(0.2g/mL) 。 将反应前驱体注入有机玻璃反应模中 ， 将反应模置于40℃烘箱中12h完成聚合 。
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