许建雄教授课题组《Polymer》：用于可穿戴传感器的坚韧、粘合、自愈合、全物理交联κ-CG-K⁺/pHEAA双网络离子导电水凝胶

人机界面设备对人工智能、可穿戴设备、软机器人技术、临床医学等领域的广泛应用产生了巨大影响，这一点已得到广泛认可、可穿戴设备、软机器人、临床医学等领域的广泛应用产生了巨大影响。在这些设备中在这些设备中，智能软应变传感器因其变形能力、高应变灵敏度和稳定的电气性能而显得尤为独特和重要。开发具有高机械强度、快速自愈合、强表面粘附性和应变敏感性等综合优点的多功能导电水凝胶已被证明是一项需求量大但极具挑战性的任务。基于此，湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组开发了一种完全物理交联的κ-卡拉胶/聚（N-羟乙基丙烯酰胺）双网（DN）水凝胶（κ-CG-K⁺/PHEAA DN 凝胶）。该水凝胶具有优异的机械性能和自愈合性能，同时在不同的未经处理的硬基底（如钛、铝、陶瓷和玻璃）上也表现出的高表面粘附力。此外，该水凝胶还具有导电性。基于以上独特的组合，使其能够进一步被制成凝胶应变传感器，以检测微小的应变引起的人体运动。相关成果“Tough, adhesive, self-healing, fully physical crosslinked κ-CG-K⁺/pHEAA double-network ionic conductive hydrogels for wearable sensors”发表在2021年11月30日的Polymer《聚合物》期刊上。论文通讯作者是许利剑教授，第一作者是许建雄教授。

完全物理交联的κ-CG-K⁺/pHEAA DN凝胶是通过简单的加热-冷却-光聚合过程制备的。将所有反应物κ-CG、HEAA单体、氯化钾和紫外线引发剂（Irgacure 2959）在水中混合后，得到均匀的前体溶液，然后加热至95 ℃，并逐渐冷却至室温。加热-冷却由于κ-CG从溶胶到凝胶的热可逆性以及K⁺和κ-CG之间的金属配位，形成了第一个物理交联的κ-CG-K⁺网络。接着，紫外线照射到溶液中后，引发HEAA聚合，形成第二个pHEAA网络。所制备的双网水凝胶具有优异的机械性能、自愈合性能、离子传导性和粘附性，可制成用于人体运动监测的穿戴式应变传感器。

（a）完全物理交联的κ-CG-K⁺/pHEAA DN 凝胶。（b）κ-CG-K⁺/pHEAA DN凝胶的机械性能、（c）自愈合性能和（d）κ-CG-K⁺/pHEAA DN凝胶的离子导电性。（e）用于人体运动监测的可穿戴应变传感器用于人体运动监测。

在这项工作中，作者设计并制造了一种完全物理交联的κ-CG-K⁺/pHEAA DN水凝胶。κ-CG-K⁺作为第一个网络，pHEAA作为第二个网络。这两种网络都与离子配位和氢键有关。在最佳制备条件下，所制备的κ-CG-K⁺/pHEAA DN水凝胶具有优异的机械、自愈合、导电和粘合性能。基于以上优异的性能，该水凝胶被进一步设计成具有高应变能力的应变传感器。这项研究为可穿戴设备、电子皮肤和软机器人等广泛的人机界面应用提供了一种新的水凝胶系统和基于水凝胶的应变传感器。

该工作得到了国家自然科学基金资助项目（51874129和51874128）、湖南省自然科学基金项目（2020JJ4273）和湖南省教育厅科研基金项目（19B153）的资助，美国国家科学基金会（CMMI-1825122）的资助和阿克伦大学的教师暑期奖学金。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124321.