Chem. Eng. J.：可拉伸、导电和自修复水凝胶，用于自供电电子皮肤

一、文章概述

人体皮肤自然具有多种功能，包括检测外部刺激、促进关节或肌肉运动的灵活性以及受伤后的出色愈合。这些特性驱动着合成类皮肤电子产品或电子皮肤（E-skin）的发展。电子皮肤可以模仿人类皮肤的感官特征，并将外部刺激转化为可检测的电信号。近年来，柔性水凝胶在可穿戴可植入生物医学设备、软机器人和人工智能领域取得了重大进展。此外，聚合物点（PD）是一种新型导电颗粒，由于其显着的适应性、可持续性、可重复使用性和导电性，作为环境友好型强化填料引起了人们的极大兴趣。除了水凝胶的机械和自愈特性外，自供电能力也必不可少。

近日，韩国交通大学的科研人员报道了一种导电水凝胶的设计策略，可用于自供电电子皮肤传感器。相关研究工作以题为“Self-Repairable and Recyclable Self-Powered Human Motion Sensor with NIR/pH-Responsive Amplified Stretchable, Conductive, and Self-Healable Hydrogel”发表在国际顶尖学术期刊Chemical Engineering Journal (IF=13.273)上。

（1）NIR/pH调节行为：该水凝胶的pH调节行为改善了碳化聚多巴胺负载的导电网络（该导电网络包含两性离子聚合物点（cPDA@ZPD）增强的水凝胶）。NIR辅助的氢键动态形成可以通过调节pH值来调节。因此在cPDA@ZPD的两性离子部分引起的结构变化显示出可逆的自愈行为，并且可以根据压力和应变来增强拉伸性、超级电容、灵敏度、传感性能和耐用性。

（2）传感性能：该水凝胶的传感能力可以通过无线传输进行远程监控。基于此，作者开发了一种基于水凝胶的、自供电、可重复使用的无线电子皮肤传感器，其具有更高的可拉伸性以及优异的机械和传感性能；在pH和NIR驱动下，其自愈和能力延长了传感器的寿命。

二、文章亮点

（1）由NIR/pH响应聚合物点控制的自供电水凝胶传感器。

（2）通过调节pH值提高愈合后的拉伸性、导电性、电容。

（3）可重复使用的传感器在两次切割加热过程中显示出12000次循环的可重复性。

（4）无线传感器可用于监测pH调谐放大压力和应变。

（5）该传感器无需外部电源即可检测细微的手腕脉搏和粗略的手指运动。

三、图文导读

（1）本文报道了一种可自修复和可重复使用的自供电电子皮肤传感器是由NIR/pH响应聚合物点（PD）嵌入水凝胶开发的，在自修复后具有增强的机械和电化学性能。

图1.水凝胶的pH调节电化学和机械行为。

（a）在不同pH值下制备的水凝胶的奈奎斯特图（b）超级电容器在150 mVs-1时的CV曲线，（c）超级电容器在放电电流密度为0.5 mAcm-2时的GCD曲线，（d）超级电容器的循环稳定性。

（e）在不同pH值下制备的水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G"）的动态频率扫描测试。

（f）G'和G''用于在20-90 ℃下小振幅振荡（γ=1%和f=0.1 Hz），用于在不同pH值下制造的水凝胶。

（g）在不同pH值下制备的水凝胶的拉伸应力-应变曲线。

（h）数字图像显示在20oC下在不同pH值下制备的水凝胶的拉伸性。

（2）所设计的水凝胶，可以通过控制pH/NIR来操纵氢键的形成过程，以实现调节机械、电化学和自愈性能的目地，并且可调节PD组分的迁移率。在pH7.4下形成的水凝胶，经过pH10处理和NIR驱动愈合后，机械拉伸性（585%）、电导率（6.8 mScm^-1）、电容（184.2 mFcm^-2）和应变系数（1.09）分别增长了125%、4.9倍、37%和72%。

图2.经过pH调节、NIR触发的自愈后放大的可重现机械和电化学性能。

（a）水凝胶破裂后和pH和NIR处理后实时愈合机制的示意图。

（b）愈合前（pH7.4）和愈合后（pH10）水凝胶的奈奎斯特图。

（c）CV曲线是在150 mVs-1的扫描速率下在五个断裂-愈合循环中获得的。

（d）超级电容器的GCD曲线是在0.5 mAcm-2的放电电流密度下通过五个断裂-愈合循环获得的。

（e）超级电容器的循环稳定性。

（f）水凝胶在愈合前（pH7.4）和愈合后（pH10）的储能模量（G'）和损耗模量（G”）的应变控制动态频率扫描测试。

（g）水凝胶在愈合前（pH7.4）和愈合后（pH10）的拉伸应力-应变曲线。

（3）此外，水凝胶系统被探索为可重复使用的生理应变传感器，其表现出0.36 kPa^-1的优异应变灵敏度，在两个切割-愈合循环中具有显着的12000次拉伸-弯曲操作的可重复性。

图3.应变传感器的放大灵敏度和稳定性取决于pH值和NIR可调自愈（a）不同拉伸应变下的相对电容随时间变化（b）作为应变函数的电容变化和线性拟合曲线,（c）水凝胶电容传感器在加载和卸载500g重量时的响应时间，（d）手指运动时电容响应的稳定性和再现性，（e）电容传感器的径向脉冲感应。

（f）使用人体运动和将数据无线传输到移动用户界面来监测水凝胶传感器的压力和应变传感。

（g）通过手指运动无线监测不同pH值下的压力和应变。

（h）在水凝胶愈合之前和之后，通过手指运动进行无线压力和应变检测。

（4）通过智能手机使用无线连接，可以有效地远程监控依赖于pH/NIR的实时放大传感性能。此外，基于水凝胶的超级电容器连接有太阳能电池，用于在阳光下无缝工作的自供电身体传感器。集成系统在愈合时获得增强的能量存储，整体功率转换效率达到2.32%。NIR/pH驱动的耐用性、自供电电子皮肤的可重复放大机械和电气性能可有效地用于检测从细微的人类手腕脉搏到粗糙的手指运动的运动，展示了其在可穿戴人体健康监测中的潜在应用。