近年来，随着科技的飞速进步和对环境、健康及安全监测需求的增加，水凝胶传感器逐渐受到广大研究者的关注。水凝胶作为一种具有高吸水性、良好生物相容性和可调节机械性能的材料，在传感领域展现出了巨大的潜力。其独特的物理化学性质使其能够与各种生物分子结合，为构建高度灵敏和特异性的传感器提供了可能。尽管水凝胶传感器具有诸多优势，但其稳定性、灵敏度和长期使用性仍然是当前研究的主要挑战。水凝胶传感器在应用中经常面临水分的吸收和释放问题，这会削弱其物理性能，限制水凝胶的广泛应用。为了解决这一问题，近日，华东师范大学张利东教授团队模拟动物皮肤防水/保水原理，发展了一种原位自由基聚合策略，在水凝胶表面形成一层柔性防水薄膜，从而防止其在空气和水中的脱水/吸水现象。经过这种表面封装的水凝胶在28°C的空气中存放20天后，其水分损失不到6wt%，并且当将其浸入水中60天后，其重量不会增加。该封装技术的一个显著特点是其与水凝胶之间的粘附能量达到了2000 J/m2，这意味着即使在反复拉伸、压缩、弯曲、扭转和打结的情况下，它也能保持结构的完整性。值得注意的是，这种方法不需要任何模板或特殊设备，因此可以用于对具有不规则形状的水凝胶进行表面封装，如管状、球形和皱纹状。该研究工作以题为“Encapsulation of hydrogel sensors”的论文发表在《Chemical Engineering Journal 484 (2024) 149631》。文章的第一作者是华东师范大学的博士研究生黄晓文（现为上海交通大学博士后）。
图1. 水凝胶表面柔性防水薄膜形成过程。
动物的皮肤如猪皮的最外层能有效防止体内的水分流失，同时也能阻止外界水进入体内。基于此原理，作者首先制备了一种聚丙烯酰胺水凝胶。然后在水凝胶表面均匀附着一层弹性体(SBS)和引发剂(BP)的有机混合溶液。待溶液渗透进入水凝胶表层后，通过紫外光照诱导原位自由基聚合反应，在水凝胶表面形成一层致密的柔性防水层。
图2. 水凝胶管内外表面柔性皮肤层功能测试
为了验证该柔性防水薄膜层，作者制备了具有褶皱结构的水凝胶管，并通过上述方法在水凝胶管内外表面形成一层柔性防水层。当拉伸或压缩该水凝胶管时，可明显观察到柔性防水层。为了进一步验证防水层的功能，作者将水凝胶管浸泡在含有染料的水溶液中。结果发现，没有表面柔性防水层的水凝胶管能够吸收染料，显示明显的荧光颜色。而表面覆盖有柔性防水层的水凝胶不能吸收荧光染料，在紫外光照射下也没有显示荧光颜色。这种封装的弹性涂层在空气中具有长期（180天）的稳定性，且在酸性、碱性和盐溶液中也不会出现界面失效。这使得水凝胶能够在空气和水系统中作为应变传感器长时间保持灵敏度，显示出在水下信号传输的巨大潜力。
图3. 穿上柔性防水外衣的水凝胶管组成的电容传感器可以在水下长时间工作
最后，作者利用表面防水的水凝胶管组建了一种电容传感器。该传感器可以在水下长时间工作，并表现出优良的信号输出稳定性。通过该传感器可以检测水的流速，盐溶液浓度等。通过表面封装技术，可以有效地保护水凝胶免受水分的影响，提高其在各种环境条件下的稳定性和使用寿命。这种技术为水凝胶传感器的应用提供了新的可能性，特别是在需要长时间稳定性和高灵敏度的场景中。
总之，水凝胶传感器领域在未来仍然有着广阔的研究空间和应用前景，期待更多的创新和突破为人类带来更多的便利和福祉。
论文信息：
Encapsulation of hydrogel sensors. Xiaowen Huang, Lidong Zhang*. Chemical Engineering Journal 484 (2024) 149631.
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