具有pH、温度、湿度等外部刺激响应性的智能水凝胶传感器在医学诊断、环境监测和可穿戴电子设备等领域有着广泛应用。其中，在众多智能水凝胶传感器中，皮肤可贴附的热响应性水凝胶因其独特的响应性、生物相容性和形状适应性引起了相当大的关注。然而，在众多热响应水凝胶传感器中，很少有能根据体温触发来实现其光学及粘附性质的改变，这进一步限制了水凝胶传感器在可穿戴器件领域的应用。为此，开发同时具有体温响应、粘附适应性和透明度可调的可穿戴水凝胶结构器件至关重要。
为了解决上述问题，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队提出了一种可贴附于皮肤的热响应水凝胶，其可根据人体体温的改变而具备了可调光学特性和可切换的粘附特性（图1）。具体来说，研究人员通过在水凝胶网络中引入温敏单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和强氢键单体丙烯酸（AAc），构建了具有可调LCST的热响应NAPA水凝胶，且该水凝胶的LCST是能够接近人体的体温环境（36~38℃），从而实现了水凝胶在人体体温触发下透明度和粘附性的转变。此外，通过利用光固化3D打印技术构建了可穿戴且高灵敏度的水凝胶传感器阵列结构。作为概念验证，贴附在手背面的可穿戴水凝胶传感器能够同时检测温度和应变的差异，并将高温监测和报警功能与视觉透明度改变相结合。这项工作提供了一种制备结构化响应水凝胶的先进方法，在柔性电子皮肤、智能可穿戴设备和人机交互设备领域具有很好的应用前景。
相关研究工作目前以“Skin‐Mountable Thermo‐responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional Sensing”为题目发表在《Small》上，石河子大学联培硕士研究生徐新强为论文第一作者，中国科学院兰州化学物理研究所刘德胜青年研究员、烟台先进材料与绿色制造山东省实验室吕阳助理研究员、姬忠莹副研究员为共同通讯作者。
图1 皮肤可贴附热响应水凝胶的设计制备和光固化3D打印制造基于此，详细研究了AAc含量和温度对NAPA水凝胶透明度的影响以及调控机制。随着AAc含量的升高，NAPA水凝胶的LCST随之下降。其中，在AAc含量为6 wt %时，NAPA的LCST为38℃，且能够根据人体体温发热的温度来实现透明度的转变（图2）。
图3详细展示了NAPA水凝胶在玻璃、塑料、金属等各种基底上的粘附性能。此外，这种热响应水凝胶的粘附性还受到温度的影响，即在低温时呈现出良好的粘附性，而在高温时则呈现出低粘附性，并且这一特性具备很好的可逆性。
图4展示了NAPA水凝胶的电机械特性及其在不同条件下的响应行为。实验证明，该水凝胶在不同应变、拉伸速率和温度下，电阻信号变化灵敏且稳定，表明其具备宽范围应变检测和稳定的温度响应能力。此外，在连续和循环温度变化中，其电阻信号也保持稳定，说明在可穿戴传感器领域中有巨大的应用潜力。
此外，利用光固化3D打印技术制备了手背式的水凝胶阵列传感器，其能够检测不同的手势状态和温度的信号。同时在NAPA水凝胶传感器下安装警报灯，其可根据光学特性变化能用于体温过热报警。此外，NAPA水凝胶还可用于连续检测在曲面结构表面的传感性能，即可连续检测气球在不同膨胀（即从 0% 到 300%）和收缩（即从 300% 到 0%）程度下的传感信号变化。这些结果表明所制造的NAPA柔性水凝胶传感器在高温报警、心率监测和多响应可穿戴传感领域具有广阔的应用前景。
图5 用于人体检测的应变和温度耦合响应传感器的设计和应用演示该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划、中国科学院特别研究助理资助项目等项目的支持。
文章信息：Xinqiang Xu, Yang Lyu*, Di Liu, Xinyan Shi, Zhongying Ji*, Desheng Liu*, Xin Jia, Xiaolong Wang. Skin-Mountable Thermo-responsive Structured Hydrogel for Optical and Adhesion Coupled Functional Sensing. Small, 2024，2411808.
全文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202411808
研究团队简介：
王晓龙，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员，3D打印摩擦器件组组长，博士生导师。2007年博士毕业于兰州大学，2010-2011香港理工大学研究助理；2012-2013加拿大西安大略大学访问学者。山东省“泰山学者”特聘专家，石河子大学“绿洲学者”，“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项首席科学家，中国机械工程学会增材制造分会委员，甘肃省材料学会理事，《摩擦学学报》等编委；曾获2021年IAAM Scientist Award，甘肃省专利奖一等奖1项（第一），甘肃省医学科技奖一等奖1项（第二），甘肃省科技进步奖二等奖1项（第七）。研究领域包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦与润滑等，在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Small等期刊发表论文150余篇、H因子45，主编英文专著1部，获授权中国发明专利20余件、美国专利2件。
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