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  隨著可穿戴電子設備的飛速發展，人們迫切需要一種可伸縮、可恢復、可導電的材料來滿足監測人體運動的需求。目前，導電水凝膠材料因其具有與生物組織類似的導電和機械特性，已成為一種有前途的基體，如醫用電極、柔性傳感器、電子皮膚等。其中，柔性應變傳感器能夠精確地將自身形變轉化為可記錄的電子信號，具有廣泛的應用前景。然而，傳統的水凝膠基傳感器恢復性較差，并且在液體或生理條件下會不可避免地“溶脹”，這極大地破壞了它的機械性能，嚴重限制了實際應用。因此，開發一種抗溶脹導電水凝膠材料，使其兼具韌性，自恢復性和抗溶脹性能是一項充滿挑戰性的工作。

  針對上述問題，長春工業大學高光輝教授團隊受軟骨組織致密網絡結構啟發，成功設計并制備了一種兼具有韌性、自恢復性和抗溶脹性與一體的水凝膠基應變傳感器，并系統地研究了其力學性能，抗溶脹性能和應變傳感性能的穩定性。

  利用丙烯酸（AA）來溶解殼聚糖(CS)，并將其引入疏水締合體系中成功合成HP(AAm/AA)-CS水凝膠。然后將HP(AAm/AA)-CS水凝膠浸泡在FeCl₃溶液中，使Fe³⁺擴散到水凝膠網絡中來交聯殼聚糖和丙烯酸，最終得到HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠。從而，在水凝膠體系中成功地構建出多重物理相互作用（疏水締合、配位、氫鍵、靜電等），表現出優異的力學性能和抗溶脹性能。此外，體系中動態離子的存在也賦予了水凝膠優異的導電能力。

圖1. HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠的制備過程及形成機理

  眾所周知，抗腫脹性是水凝膠在生物醫學應用如組織工程中的基本要求。通過實驗探究發現HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在不同的溶液環境(H2O、DMSO、生理鹽水、海水和不同的pH溶液)下，均具有穩定的抗溶脹性能和機械性能，這將顯著拓寬水凝膠的應用范圍。值得注意的是，與傳統水凝膠不同的是，該水凝膠在水中腫脹后，其機械強度會得到顯著提高，在人工軟骨應用中具有巨大的潛力。

圖2. HP(AAm/AA)-CS和HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在水中的（a）溶脹圖像和（b）溶脹曲線;（c） HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在不同pH溶液中的溶脹行為;（d）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在不同溶液環境下的溶脹行為,包括H2O、DMSO、生理鹽水、海水; HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠的力學性能:（e）不同溶脹時間，（f）不同pH條件下溶脹24小時

  此外，對HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺導電水凝膠進行了應變敏感性測試，發現其在不同應變下（小應變（10 - 90%）和大應變（100 - 500%））均表現優異的應變敏感性。值得注意的是, 在連續300次拉伸循環過程中，該水凝膠傳感器的電信號沒有明顯損失，表現出長期穩定性和重復性。

圖3.（a）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在不同浸泡時間下的導電性能;（b）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在不同拉伸應變(0~500%)下的相對電阻變化;（c, d)）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠在小應變(10%-90%)和大應變(100%-500%)反復拉伸時的相對電阻變化;（e）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠300次循環穩定性試驗（最大應變50%）

  由于該水凝膠其具有高應變靈敏度、快響應速度、好穩定性等優點，可作為應變傳感器快速、準確、重復地監測關節的運動，包括頸部、腕部、肘部和膝蓋的活動，甚至可以在水下的監測信號。綜上，這種結合了仿生和傳感特性的水凝膠將有望成為下一代可植入式電子設備的一個有前景的候選材料。

圖4.（a-d）在人體不同部位彎曲條件下的HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠應變傳感器的相對電阻變化:（a）頸部、（b）肘關節、（c）手腕、（d）膝關節;（e）HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠應變傳感器在水中拉伸時的相對電阻變化;（f） HP(AAm/AA)-CS-Fe³⁺水凝膠作為觸摸屏筆在智能手機屏幕上識別

  這一工作以題目為“Cartilage-inspired hydrogel strain sensors with ultrahigh toughness, good self-recovery and stable anti-swelling”的研究論文發表在Journal of Materials Chemistry A雜志上。論文的第一作者為長春工業大學化工學院碩士生徐加俊，通訊作者為高光輝教授，共同通訊作者為任秀艷副教授。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta09170j#!divAbstract