南华大学《ACS AMI》：基于石墨烯增强纳米复合材料水凝胶的可穿戴传感器，用于实时和远程人体运动监测

成果简介

导电水凝胶在可穿戴传感器中的应用最近得到了深入研究。然而，基于水凝胶的传感器不能同时具有出色的机械性能、高灵敏度、舒适的耐磨性和快速的自愈性能，导致耐久性和可重复使用性较差。本文，南华大学Chen Yao、Ye Zhang等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Wearable Sensor Based on a Tough Conductive Gel for Real-Time and Remote Human Motion Monitoring”的论文，研究报告了一种氧化石墨烯增强纳米复合材料（NC）水凝胶（表示为NC6-GO1.0），该水凝胶具有宽应变范围和高灵敏度、优异的机械鲁棒性、可调节的粘附性能和快速的自愈性能，适用于柔性可穿戴传感器。粘土纳米片在NC水凝胶中起到物理交联剂的作用，由于聚合物链和粘土纳米片之间形成的可逆氢键，确保了其优异的韧性和自愈性能。

同时，掺入的氧化石墨烯（GO）纳米片赋予NC水凝胶光热转换能力，有利于其在近红外（NIR）光照射下舒适地与人体皮肤分离。此外，通过溶剂置换策略将氯化锂引入水凝胶基质中，以增强NC水凝胶（表示为NC6-GO1.0-LiCl0.5）的电导率和抗冻性。因此，所获得的基于导电水凝胶的多功能可穿戴传感器成功地用于在零下（-54 °C）或室温下对各种人体活动进行实时和远程检测，包括大动作（手指、肘部或腿部弯曲）和微小动作（微笑、皱眉和发音），表明在人体运动监测、疾病诊断、信息加密和防伪方面的潜在应用。

图文导读

图1. 通过原位光引发自由基聚合（A-D，_E1-G1）和原位热引发自由基聚合（A-D，_E2-G2）合成的 NC 水凝胶示意图。展示浸泡在氯化锂溶液中的 NC 水凝胶（H）。

图 2. 不同 GO 含量的水凝胶的代表性拉伸应力-应变曲线和导电率（A、B）。NC6-GO1.0 水凝胶在拉伸、打结、编织、切割和压缩过程中的照片（C-E）。不同应变下 NC6-GO1.0 水凝胶的拉伸加载-卸载曲线（F）。不同应变下 NC6-GO1.0 水凝胶的代表性压缩应力-应变曲线（G）。NC6-GO1.0 水凝胶在 70% 应变时的循环压缩加载-卸载曲线（H）。

图3. 剥离测试示意图（A）。NC6-GO1.0 水凝胶在空气中粘附在不同基底上的图片（B）。搭接剪切试验示意图（C）。NC6-GO1.0 水凝胶与木材、纸张、导电织物、塑料和玻璃的剥离曲线（D）和粘附强度（E）。

图4. 原始和愈合的 NC6-GO1.0 水凝胶的应力-应变曲线（A）。NC6-GO1.0 水凝胶的自愈合机制示意图（B）。显示电路中 LED 灯泡在不同状态下亮度变化的示意图和图像（C）。NC6-GO1.0 水凝胶切割/愈合过程中七个周期随时间变化的电流变化（D）。一个切割/愈合周期中随时间变化的电流变化放大图（E）。

图5. 循环压缩测试期间的相对电阻变化；插图为压缩测试示意图（A）。用于采集感应信号的书写平台示意图（B）。在书写平台上书写缩写 “USC”（C）和 “ABC”（D）时的相对电阻变化。三名志愿者在书写平台上书写同一个名字 “yang yan “时的相对电阻变化（E）。

图6. 基于 NC6-GO1.0-LiCl0.5 水凝胶的可穿戴传感器在监测各种人体运动时的相对电阻变化：”ABC “的发音（A）、微笑（B）、皱眉（C）、肘部松开/弯曲（D）、握拳/松开（E）、手腕向下/向上弯曲（F）和腿部动作（G）。

图7. 水凝胶传感器无线监控示意图（A）。在不同频率的循环加压/释放过程中对圆柱形水凝胶进行远程监控（B）。通过粘附的水凝胶片远程监控恐龙玩具的行走过程（C）。在零下 54 °C，通过粘附的水凝胶条对机器狗的站立和下地行为进行远程监控（D）。

小结

综上所述，通过一锅聚合和溶剂置换处理，以 NIPAM 作为聚合单体，粘土作为交联剂，GO 纳米片作为功能添加剂，锂离子作为导电离子，开发出了一种基于坚韧、导电和自修复水凝胶的可穿戴传感器，该水凝胶对人体皮肤的粘附性可调。所制备的 NC6-GO1.0 水凝胶具有出色的机械拉伸性，拉伸应力为 2.18 兆帕，断裂应变为 1821%；出色的应变敏感性，0-40%、40-200% 和 200-400% 的 GF 值分别为 1.53、2.83 和 2.84；良好的自愈合性能，应力自愈合效率高达 84.86%；以及与各种基底的可切换附着/分离性，使其能够成功应用于应变传感器和书写识别屏。

得益于锂离子的加入，所获得的 NC6-GO1.0-LiCl0.5 水凝胶具有更低的检测限（ε = 1%）、更高的电导率（σ = 4.3 S m++-¹）、更高的灵敏度（0-150% 时 GF = 1.76，150-300% 时 GF = 3.04）、抗冻性和长期稳定性。当贴在人体皮肤的一部分时，各种肢体动作，如微笑、皱眉、写字、手腕弯曲和腿部移动等，都能通过可分辨的电信号输出有效而灵敏地检测到。值得注意的是，通过耦合无线发射器和接收器，可实现室温/零下温度下各种动作的远程无线监测。总之，所提出的 NC6-GO1.0-LiCl0.5水凝胶在个人健康监测、可穿戴设备和电子皮肤等多种应用领域都大有可为。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19517