山东理工大学《JMCA》：受烹饪启发，石墨烯与面粉结合制备有机水凝胶，用于高性能应变传感器

成果简介

基于生物材料的柔性凝胶由于其良好的生物相容性和可降解性，在可穿戴传感器领域引起了相当大的兴趣。然而，通过简单和低成本的方式将导电性、韧性、粘附性、低温耐受性和自恢复能力同时集成到基于生物材料的凝胶中仍然是一个巨大的挑战。本文，山东理工大学Hang Xu等研究人员在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Cooking inspired tough, adhesive, and low-temperature tolerant gluten-based organohydrogels for high performance strain sensors”的论文，研究受传统烹饪工艺启发，通过简单的捏合、洗涤和溶剂交换过程，导电还原氧化石墨烯 (RGO) 引入到食用小麦面粉面团的蛋白质网络中。致密的蛋白质网络、不同的官能团以及组分之间潜在的相互作用使所获得的有机水凝胶 (GGOHx ) 具有良好的韧性 (1.83MJm-3)、对各种材料的相容性粘附力和自恢复能力。

此外，在甘油的帮助下，GGOH x表现出良好的保水性和低温耐受性。作为可穿戴应变传感器，具有灵敏的变形相关电导率的GGOH x可以在 -20°C 至 25°C 的温度范围内监测大规模人体运动（例如，关节弯曲）和微小的生理信号（例如，吞咽）。长期稳定性（>4000 次循环）。因此，这项工作为基于蛋白质的高性能应变传感器的制备开辟了一条绿色、简便的途径。

图文导读

图1。 (A) GGOHx的制备示意图。(B) GGOH x的照片显示了的韧性和紧密粘合强度，以及由 GGOH x组装的具有生物相容性、可降解性和低温耐受性的可穿戴应变传感器示意图，用于在零以下温度下进行人体运动检测。

图2、 (A) GGOH 0.2 的照片，显示其原始、扭曲和拉伸状态，以及不同形状的“S”、“D”、“U”和“T”。(B) GGOH 0.2 的SEM 图像，内嵌绿色圆圈突出了 RGO 可能的皱纹。(C)不同 RGO 浓度下 GGOH x的拉伸曲线。(D) GGOH 0.2的连续循环拉伸加载-卸载曲线。

图3、 (A) 建议的 GGOH x与各种基材之间的粘合机制。(B) 照片表明 GGOH x对各种基材的紧密粘附。(C 和 D) GGOH 0.2与不同基材 (玻璃、橡胶、纸、金属、皮肤、木材、布料和塑料)的搭接剪切强度与应变的代表性曲线。(E) GGOH x对具有不同 RGO 浓度的玻璃的搭接剪切强度。(F-H) GGOH 0.2对具有不同水含量 (F) 和切割恢复周期 (G 和 H) 的玻璃的搭接剪切强度。（I）GGOH x的比较和一些基于生物材料的水凝胶的粘附强度和韧性。

图4、 (A) GGOH 0.2在 -20 °C 冷却 7 天后扭曲和拉伸的照片。(B) GGOH 0.2在 25 °C 和 -20 °C 下的电导率。(C) GGOH 0.2在 25 °C 和 -20 °C 下的拉伸曲线。(D) GGOH 0.2和GGH 0.2在 25°C 和~65% 的相对湿度下储存30天前后的照片。(E) GGOH 0.2和 GGH 0.2 的重量变化与储存时间的关系。W0是初始权重，Wt是特定存储时间后的权重。(F) GGOH 0.2的拉伸曲线在 25°C 和~65% 的相对湿度下储存30天前后。

图 5 (A)具有不同 RGO 含量的GGOH x的电导率。(B) GGOH 0.2在不同施加应变下的相对电阻变化。(C 和 D) GGOH 0.2传感器在 80% 应变下 4000 次循环的耐久性测试。(E) 检测手指弯曲 90° 的循环测试。(F) 手指弯曲期间的电流变化说明响应和恢复时间。(G) 以不同角度弯曲手指时的电流变化。(H) 在各种速度下检测手指弯曲和释放。(I-L) 使用 GGOH 0.2检测运动，包括肘部弯曲、膝盖弯曲、张口和吞咽作为应变传感器。

图6 、(A) 使用 GGOH 0.2和 GGH 0.2作为导体在-20 °C下储存24小时后的LED亮度比较。(B) GGOH 0.2作为组装应变传感器的示意图和照片，在-20 °C下检测不同的手势。(C) GGOH 0.2响应不同手指弯曲和手势的相对电流变化。

小结

这项研究提供了一种新方法制备高性能的基于蛋白质的有机水凝胶，用于电子皮肤和个人健康监测中的潜在多功能应用。

文献:https://doi.org/10.1039/D1TA07273K