离子液体凝胶由于高的导电性、柔韧性、优异的电化学稳定性成为了构建柔性电子设备的理想材料。然而，通过简单的策略来制备兼具高灵敏度、重复粘附性、良好的自愈合性能和生物相容性的多功能离子液体凝胶仍然是一个巨大的挑战。为了构建多功能的离子液体凝胶，山东理工大学宋沙沙教授与南洋理工大学王一凡教授，受碱基增粘策略的启发，将丙烯酰化的腺嘌呤/胞嘧啶以及丙烯酸在酪蛋白酸钠稳定的液态金属镓的离子液体分散体系中通过热引发的自由基聚合制备得到了多功能的粘附性离子液体凝胶。作为一种柔软的导电填料，液态金属镓的引入不但提高的离子液体凝胶的导电性能而且提高了凝胶的机械性能。由于离子液体极低的饱和蒸气压，离子液体凝胶具有良好的抗冻和抗干性能。基于离子液体凝胶与人体皮肤的无缝粘附，将其贴附于人体皮肤上，可以实现在不同环境中长期对人体运动的信号和电生理信号的监测， 满足不同条件下的应用。该研究成果解决了凝胶中导电性和机械性能的协同作用；系统解释了凝胶对不同基底的粘附机理；阐释了机械韧性、舒适粘附性能以及生物相容性对凝胶传感灵敏度和长期稳定性的作用机理。该研究工作为制备多环境稳定的离子液体凝胶可穿戴电子设备用于长期的运动和电生理信号检测提供了新的思路。这一研究成果以“Nucleobase-driven wearable ionogel electronics for long-term human motion detection and electrophysiological signal monitoring”为题，发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为山东理工大学博士生燕祥睿。
文章要点
受碱基增粘策略的启发，将丙烯酰化的腺嘌呤和胞嘧啶与丙烯酸在酪蛋白酸钠稳定的液态金属镓的离子液体分散体系中通过热引发的自由基聚合制备得到了多环境稳定的粘附性离子液体凝胶。离子液体凝胶的合成策略和凝胶中的交联网络结构如图1所示。
图1. 离子液体凝胶的制备示意图以及凝胶中的交联网络结构。优异的机械性能是离子液体凝胶应用于柔性电子设备的基础。研究者研究了不同组成的凝胶样品的拉伸性能，确定了最优机械性能的凝胶样品。通过连续的加载-卸载拉伸测试，对凝胶的抗疲劳性能进行了探究，解释了凝胶的能量耗散机制。研究结果表明由于内部网络的化学-物理交联作用，凝胶具有良好的弹性恢复性和抗疲劳性，为其在柔性电子设备中的长期应用奠定了基础。离子液体凝胶的环境稳定性(抗冻和抗干性能)是其在柔性电子设备的实际应用中必须要解决的问题。与水不同，离子液体具有低的凝固点和极小的饱和蒸气压，因此，以离子液体为分散介质制备的凝胶具有很好的抗冻、抗干和热稳定性。由于碱基对腺嘌呤和胞嘧啶的引入，离子液体凝胶可以反复的粘附在不同材料的基底上。由于离子凝胶的弹性模量与皮肤相近，可以将其无缝的贴附在人体皮肤上，并且长时间贴附在皮肤上也不会引起皮肤红肿或者过敏反应。而且研究发现凝胶具有优异的细胞相容性，因此可以将其作为表皮电极贴在人体皮肤上实现电生理信号的检测。由于凝胶网络中氢键、金属配位键、离子偶极相互作用的动态的解离和重组赋予了离子液体凝胶快速的机械和电学性能的自修复能力，保证了凝胶使用过程中的安全性，延长了凝胶的使用寿命。接下来作者对凝胶的应变传感性能进行了测试。研究发现离子液体凝胶对应变具有较高的灵敏度、快速的响应性和循环稳定性，可以将其贴在人体的不同部位实现对人体运动信号和微表情的实时监测。此外，将凝胶贴在不同的手指上还可以实现手势的识别。基于凝胶的抗干性能以及与皮肤的无缝贴合，将离子液体凝胶作为表皮生物电极可以实现对电生理信号，例如心电信号(ECG)、肌电信号(EMG)以及呼吸信号的长期监测。图6. 离子液体凝胶的应变传感性能和人体活动信号检测。图7. 离子液体凝胶作为生物电极用于电生理信号监测。本工作报道了一种碱基对驱动的多功能离子液体凝胶，该凝胶可以直接贴附在人体皮肤上实现不同人体活动信号和电生理信号的长期监测。本工作为制备多功能的离子液体凝胶可穿戴电子设备提供了新的思路，拓宽了离子液体凝胶基电子设备在数字化健康医疗，个性化健康诊断和人机交互中的应用。宋沙沙，山东理工大学化学化工学院学术教授，博士生导师，博士毕业于山东大学，导师为郝京诚教授。研究方向为多功能凝胶材料，在凝胶材料的制备、性质、形成机理和性能方面进行了系统的研究工作，在Adv. Funct. Mater., J. Colloid Interfaces Sci., ACS Sustainable Chem. Eng., ACS Appl. Mater. Interfaces, Langmuir, Chem. Eur. J等国际权威期刊发表学术论文40余篇。先后承担国家自然科学基金2项、山东省自然科学基金1项。新加坡南洋理工大学王一凡教授课题组长期致力于研究新型的3D打印技术以及功能化结构材料，并开发其在软体机器人领域和人体外骨骼领域的应用（课题组主页：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授于2020年至今担任新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 为该校授予杰出青年教授的职位）。王教授于2017-2020年在加州理工学院机械与土木工程系从事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大学物理系获得物理学博士学位，2007-2011年于北京大学物理系获得物理学士学位。王教授已在领域内顶级期刊发表多篇重要文章，其中包括Nature、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Science Robotics等。课题组长期招收软体机器人以及超材料相关的博士生，博士后以及访问学者（请联系：Yifan Wang，[email protected]）。--检测服务--
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