水凝胶是一种含有大量水分的三维交联的多孔聚合物,并且因为其具有与人类器官的相似之处而被广泛地应用于生物领域。导电水凝胶结合导电性和柔软性,可以模仿人体皮肤的机械和感觉功能,并在过去几十年里引起了可穿戴设备、可植入生物传感器和人工皮肤等领域的极大的关注。导电水凝胶可以通过将导电填料包括金属颗粒、碳纳米管和石墨烯引入聚合物中直接制备,但是这种混合方法通常遭受负荷量低和导电成分聚集的问题,从而导致导电性差或者机械性能差。另一种赋予水凝胶导电性的方法是引发共轭前体的原位聚合生成聚噻吩、聚苯胺和聚苯胺等导电聚合物。由于导电网络的形成,水凝胶具有快速的电子传递和增强的机械性能。作为一种导电性可调的导电聚合物,聚苯胺可以利用植酸和和聚电解质作为掺杂剂制造各种类型的导电水凝胶。尽管其具有令人满意的导电性,但是相对较弱且脆的网络严重阻碍了其实际应用。人体皮肤的迷人之处在于其在外力或刺激造成的伤害下可以自我修复。因此,赋予导电水凝胶自愈能力是有希望的,作为“智能”和耐用的材料应用于实际中,但这仍然是一个挑战。自主修复水凝胶的有效策略是基于多种可逆分子相互作用,包括动态共价键,离子相互作用,氢键,金属-配体配位,主体-客体相互作用,和疏水。其中,氢键的相互作用由于其可调节的强度,生物相容性以及快速的解离/缔合行为,对自愈水凝胶的制备尤为重要。此外,氢键的动力学可以通过周围环境的温度和pH值来调节,从而赋予水凝胶刺激响应特性。加拿大阿尔伯塔大学的研究人员通过将2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)基团引入聚苯胺/聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PANI/PSS)中,制备了一种可拉伸、可注入和可快速愈合的导电水凝胶,其电导率为13 S/m,应变系数为3.4,可拉伸约为300 %,可以准确可靠地监测人体的各种行为。可以注入不同形状的模具成型,可以在30s内自愈合,有望应用于3D打印、可穿戴和柔性电子等领域。图1. 导电水凝胶PANI/PSS-UPy的制备流程和形成机理示意图
图2.导电水凝胶的拉伸性和可自愈测试
图3. 导电水凝胶用作应变传感器监测人体行为的实时电阻变化(a)手指的弯折;(b)手腕的弯曲;(c)吞咽;(d)说话;(e)脉搏
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