专栏名称: 高分子科技

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宁波材料所王荣/上海大学尹静波/宁波大学附属第一医院沈毅 Adv. Mater.：植酸诱导模量梯度离子导电水凝胶压力传感器

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-01-20 12:31

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柔性可穿戴压力传感器因其优异的响应性和复杂曲面适应能力，在健康监测、智能医疗等领域具有广泛应用。但是，受限于材料本身的均质结构，传统的压力传感器难以同时实现高灵敏度和宽压力检测范围。梯度结构离子导电水凝胶为解决这一难题提供了策略，但如何通过简便的方式构建梯度结构离子导电水凝胶，仍然面临着挑战。

图1. 植酸诱导的模量梯度离子导电水凝胶用于高灵敏宽范围压力传感

近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进诊疗材料与技术实验室王荣团队基于植酸-聚合物相互作用机理研究，开发出了一种简便易行的模量梯度离子导电水凝胶构建策略，并用于构筑高性能压力传感器。该传感器具有宽的压力检测范围，以及优异的低压检测能力和高的整体灵敏度，可有效识别声波和气流引起的微弱压力，由说话和手指按压产生的中度压力，以及较高量级的足底压力（图1）。该工作以“Phytic Acid-induced Gradient Hydrogels for Highly Sensitive and Broad Range Pressure Sensing”为题发表《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2025, 2417978.）。中国科学院宁波材料所与上海大学硕士合培生宋磊为第一作者，宁波材料所王荣研究员、上海大学尹静波教授、宁波大学附属第一医院沈毅主任医师为论文共同通讯作者。该工作得到了中国科学院青年创新促进会和宁波市重点研发计划的支持。

研究人员通过研究植酸（Phytic acid，PA）与水凝胶基质的相互作用，首次发现了植酸与不同聚合物之间存在显著区别的作用方式。在聚丙烯酰胺/植酸（PAM/PA）水凝胶中，PA在PAM网络中表现出明显的增塑作用，增加了PAM分子链的活动能力，显著降低了水凝胶的模量。而在聚丙烯酸/植酸（PAA/PA）水凝胶中，PA促进了PAA的微相分离，其相分离结构显著增强了水凝胶的力学性能。基于上述机理研究，研究团队通过简便的预聚液浇筑法，将不同植酸-聚合物的水凝胶整体构筑为具有梯度模量的离子导电水凝胶压力传感器。该传感器同时实现了高的灵敏度（9.00 kPa^-1，<15 kPa）和宽的压力检测范围（3.7 Pa ~ 1200 kPa）。值得注意的是，在梯度水凝胶中，富含增塑作用的PAM/PA区域和富含微相分离的PAA/PA区域分别为压力传感器提供了优异的低压检测能力和高压响应性。对于不同频率（100 Hz ~ 6000 Hz）和振幅（70 dB ~ 100 dB）的声波，该水凝胶传感器可以实现灵敏的无接触式响应，对于声音亦可实现特异且可重复的识别。该传感器也可灵敏感知低至0.2 m/s流速的微弱气流。进一步的，对于脉搏、肌肉振动等生理信号，以及压力较大的手指按压，该传感器均可实现灵敏的检测和响应。将该传感器组装制作成无线传输式足底传感阵列，可实现较高压的足底压力分布检测，对于不同的静态站姿和行走时的足底压力变化均具有连续且稳定的响应。此外，PA还赋予了水凝胶优异的抗菌性能和生物相容性，为该压力传感器在生物医学领域的应用奠定了基础。

图2. PAM/PA水凝胶的机械性能表征及作用机理示意图。

图3. PAA/PA水凝胶的机械性能表征及作用机理示意图。

图4.水凝胶梯度结构与力学性能表征。

图5. 梯度水凝胶压力传感器的传感性能表征。

图6. 梯度水凝胶压力传感器对于声波、气流和生理信号的检测能力。

图7. 梯度水凝胶压力传感器对于足底压力分布的检测能力。

图8. 水凝胶的抗菌性和生物相容性。

在这项工作中，研究者们提出了一种基于PA与聚合物之间差异化相互作用构建梯度离子水凝胶的新策略。利用PA在PAM中的增塑作用和PA在PAA中的微相分离作用，通过预聚液渗透法制备了梯度离子导电水凝胶压力传感器。PA的增塑作用和相分离效应使梯度压力传感器兼具高灵敏度、宽检测范围和卓越的低压检测能力。此外，PA还赋予水凝胶优异的抗菌性能和生物相容性。该PA诱导的梯度离子水凝胶压力传感器有望应用于在电子皮肤、人机接口和健康监测等领域。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202417978