导电水凝胶基柔性电子传感系统——柔性电子创新实验设计

导电水凝胶兼具生物医用材料和导电材料特征,可应用于医疗康复、运动监测和人机交互等领域。为提高柔性电子学专业本科生的创新意识与实验技能,本实验设计了一种纳米凝胶材料交联的导电水凝胶,通过探索加聚型水凝胶聚合过程中引发剂浓度和交联机制,阐明材料结构组分对水凝胶基柔性电子器件使用耐久性能及传感性能的影响。通过创新实验设计,柔性电子学专业本科生可以学习到高分子乳液聚合、水凝胶制备以及应力应变传感性能表征等知识点,深入理解交联剂结构设计对材料功能性的影响。此外,本实验还设计了基于水凝胶柔性电子传感器的可穿戴传感系统,通过集成可控制小车移动的智能手套,以及用于控制电脑游戏的水凝胶控制器,将前沿科研与本科实验教学任务紧密结合,有利于激发柔性电子、材料、电子信息等专业本科生对于科研的兴趣和创新探索的科研精神。     

水凝胶基仿生离子通道及其智能离子传输

离子可控传输是维持众多正常生理活动的重要基础,而实现可控离子传输的关键是生命体系中的各类蛋白质离子通道.受此启发,科研工作者开发了一系列仿生智能离子通道,实现了类似生命体中的可控离子传输.其中,基于水凝胶体系的离子通道由于其空间荷电性和三维互通特性,展现出高离子选择性和高离子通量的优点.同时,水凝胶基离子通道的生物相容性、可形变特性及稳定的离子储存特性,使其成为智能离子传输领域的研究热点之一,该类材料已被广泛应用于离子-电子电路、医疗健康、能源转化与存储以及资源与环境等领域.本文主要从水凝胶基智能离子通道的构筑方法出发,阐述了凝胶内部离子传输机制,并对其在各领域的应用进行了总结,最后对目前水凝胶基离子通道存在的问题及未来发展趋势进行了展望.     

仿生天然高分子水凝胶在医用材料方面的应用

天然高分子水凝胶具有高度水合的三维网络结构,显示出独特的粘附性,能有效地控制出血,减少二次感染,且生物相容性和生物降解性好,是一种理想的医用粘合剂材料。近年来,鉴于目前医用粘合剂研发制备中对水下湿粘性以及生物降解性能等要求越来越严格,具有耐水粘附性、生物安全性和形状可控性的新型粘附材料成为研究的热点和难点。自然界生物对各种基质的粘附性主要取决于其组成或结构,利用天然高分子水凝胶材料进行仿生,可以使其兼具优异的组织粘附性、止血抑菌性和形状可控性等特性,是解决上述问题的有效策略。本文概述了两种类型的仿生天然高分子水凝胶材料粘附机制,针对性地讨论了贻贝、藤壶、牡蛎的组成特性和咸水鱼、细胞外基质(extracellular matrix)的结构特点以及粘附机理,并介绍了相应仿生天然高分子水凝胶材料在组织愈合、伤口止血及药物递送方面的研究进展。最后,对仿生天然高分子水凝胶在未来的发展方向进行展望并为其提供相应的建议。     

高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用

水凝胶是具有高含水量、可变形性和良好生物相容性的材料,其中导电水凝胶具有良好的导电性、可调节的机械性及自黏附性等特征,逐渐成为制备柔性可穿戴电子设备的最佳候选材料。近年来,具有生物相容性、机械柔韧性和抗疲劳性的导电水凝胶得到广泛研究,能够实现多种生理信号和物理信号的监测及传输,促进了柔性可穿戴电子设备的发展。柔性可穿戴电子设备逐渐成为人机交互技术和人工智能领域的主要研究方向。导电水凝胶通过使用导电聚合物、导电填料、自由离子及其混合物来合成,根据导电机理,所制备的导电水凝胶可分为电子导电水凝胶、离子导电水凝胶和混合电子-离子导电水凝胶。本文讨论了导电水凝胶的制备方法,总结了导电水凝胶在可拉伸性、导电性、生物相容性和自修复性等功能方面的研究进展及其在柔性可穿戴电子设备中的应用,期望导电水凝胶可以取得更好的发展。     

柔性电子学中的表界面化学

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、 化学、 物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、 可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、 导电层、 功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、 可靠性、 对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.     

基于水凝胶的细菌传感检测

水凝胶具有含水量高、柔韧性好、黏弹性高、生物相容性高以及独特的刺激响应特性,这使得水凝胶材料在细菌传感检测方面备受关注。基于水凝胶的细菌传感器及传感芯片的研究,对细菌的基础科学研究具有重要意义,更对细菌的快速高效检测、特定环境中的细菌污染防控和疾病传播控制等具有重要应用价值。本文针对近年来水凝胶在细菌传感检测方面的研究工作进行综述。简要介绍了水凝胶的种类,水凝胶与细菌之间相互作用的影响因素。重点综述了基于温敏型水凝胶、pH敏感型水凝胶、酶敏感型水凝胶以及特异性标识物功能化修饰的水凝胶构建的传感器和传感检测方法,并综述了基于水凝胶的新型柔性传感器和微流控传感芯片的研究进展。基于水凝胶的细菌传感器在检测效率、信号采集和稳定性等方面仍需进一步提升和拓展。随着新型水凝胶材料的出现,智能细菌传感器、柔性细菌传感器和集成微流控细菌传感芯片是目前发展的方向,在细菌检测方面显示出良好的发掘潜力和应用前景。     

粘性水凝胶的发展及应用

本文系统介绍了近年来粘性水凝胶相关研究的最新进展,并从结构仿生、材料仿生、原理仿生方面细致梳理了典型案例的设计理念,总结概括了粘性水凝胶在可穿戴传感器、生物医用材料、执行器机器人、吸附分离等领域的应用。在此基础上,探讨了粘性水凝胶现存的挑战,并展望了其在亚微米颗粒的吸附分离、痕量爆炸物颗粒原位采样检测等方面将有蓬勃发展,为粘性水凝胶的创新设计及实际应用提供指导和参考。     

智能型水凝胶

智能型水凝胶是一类具有广泛应用前景的功能高分子材料，但由于传统水凝胶存在一些缺点因而限制了其应用，因此近年来围绕提高传统水凝胶的性能做了大量研究工作。本文从四个主要方面综述了近年来智能型水凝胶改性的研究进展。     

水凝胶的制备及仿生设计在能源领域应用的研究进展

能源与环境问题是当前时代面临的一大课题,有效利用并储存能源,缓解一系列严峻的环境污染问题也是当前研究的热点,电化学储能、光催化、光热界面蒸发和水汽收集这些能源利用措施已经作为环保手段深入人类的生活.大自然作为一位天然的设计师为我们能够提供诸多灵感,自然界诸多生物、生命体系中特性、机制和结构均暗含着十分巧妙的奥秘.本文重...     

Overview of Ionogels in Flexible Electronics

Ionogels have aroused wide interests in the field of flexible electronics. The combination of solid‐state networks and ionic liquids opens up thousands of possibilities for ionogels. The unique structures of ionogels endow them excellent mechanical properties, conductivity and thermal stability to approach the challenge of flexible electronic. A large number of new ionogels have been developed by different methods including the exchange of solution, polymeric ionic liquid and in‐situ reactions in ionic liquids (gelation of low molecular weight gelators, self‐assembly of block polymers, formation of double‐network structure, ionogel nanocomposites and direct polymerization of polymerizable monomers). The aim of this review is to discuss different preparation methods of ionogels and the comparison of their advantages.     

碳纳米管薄膜的制备及其在柔性电子器件中的应用

近年来,柔性电子器件的发展日新月异。以碳纳米管为代表的碳纳米材料,尤其是其组装成的宏观结构碳纳米管薄膜具有良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性电子领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来碳纳米管薄膜在柔性电子器件领域的研究进展。首先详细介绍了碳纳米管薄膜的两类主要制备方法,分别为干法制备和湿法制备;继而介绍了碳纳米管薄膜在多种柔性电子器件的组装、性能与应用方面的最新研究进展;最后总结了碳纳米管薄膜基柔性电子领域的发展现状,并讨论了该领域所面临的挑战及其未来前景。     

蒙脱土纳米片增强的仿生结构强韧水凝胶薄膜

传统单网络水凝胶力学性能差,难以作为对力学强度和综合性能方面有高要求的硬脑膜修复材料使用。提高水凝胶的力学性能对于水凝胶的应用具有重要意义。本文通过蒸发诱导组装方法制备了聚乙烯醇/蒙脱土（PVA/MMT）水凝胶薄膜,该水凝胶薄膜具有优异的机械性能和抗疲劳性能。所制备的PVA/MMT水凝胶薄膜厚度为200 - 300 μm之间,断裂应力为9.5 ± 0.2 MPa、模量为9.0 ± 0.9 MPa、疲劳强度为1154.02 J?m-2,性能优于现有的生物聚合物水凝胶。加入蒙脱土（MMT）后,PVA/MMT水凝胶薄膜的机械性能得到提升。这得益于MMT在PVA/MMT水凝胶薄膜中形成有序的层状结构。PVA70/MMT30水凝胶薄膜借助戊二醛交联后,PVA和MMT之间形成C-O-C共价键,促使薄膜的机械性能进一步提高。     

层状水凝胶仿生软骨的制备与性能

采用超声分散、高压加热共融、冷冻-熔融和γ射线辐照交联成型工艺制备层状水凝胶仿生软骨材料, 系统讨论了PVP添加量和辐照剂量对材料的凝胶含量、晶态结构及抗压缩弹性模量的影响, 观察和研究了层状水凝胶的微观结构. 研究结果表明, 随着PVP的质量分数(0-40%)和辐照剂量(0-60 kGy)的增加, 层状水凝胶的凝胶含量呈上升趋势; 其晶态结构在质量分数为20%的PVP和10 kGy辐照剂量下最完善; 其力学性能在质量分数为20%的PVP和20 kGy辐照剂量下最佳; PVP的加入改善了水凝胶的微观形貌, 有利于材料表面润滑性能的提高; 层状水凝胶层间渗透结合, 自然过渡, 形成结构良好的仿生软骨材料.     

国外印刷电子产业发展概述

近年来印刷电子有了快速发展,许多有关印刷电子的科研成果,已从实验室投入了生产,初步形成了印刷电子产业体系。本文介绍了应用于印刷电子的各类有机、无机材料及工艺装备,特别详细列举了各类印刷电子产品及其应用情况,这些印刷电子产品已开始进入人们日常生活的多个方面。虽然印刷电子产业尚处于发展初级阶段,市场不够成熟,但已显示出十分光明的发展前景。文中还指出政府机构的重视和支持是国外印刷电子产业发展的重要因素。     

水凝胶流变学研究概况

水凝胶具有良好的生物相容性和生物可降解性,其结构呈三维网状结构,与细胞外基质相似,在药物释放和组织工程等领域具有广阔的应用前景,被广泛地用于生物制药、生物材料和医学等领域。流变学可以描述材料的流动特性和力学性能,水凝胶的粘弹响应对材料内部结构的变化也非常敏感,因此流变行为被视为研究水凝胶的一种重要方法。本文综述了流变学方法在水凝胶研究中的应用,介绍了水凝胶流变学的研究方法,讨论了影响水凝胶流变学特征的因素,并展望了水凝胶流变学的发展前景。     

自愈性聚合物水凝胶的最新研究进展

主要阐述自愈性聚合物水凝胶的最新研究进展,针对自愈性聚合物水凝胶的愈合机理、不同类型聚合物对水凝胶的自愈性贡献、水凝胶的愈合程度及其验证方法等方面进行了分析和对比。总体而言,无论是在自愈性聚合物的分子设计,还是在其水凝胶的愈合机理研究方面,都取得了重要进展。然而,聚合物水凝胶的自愈合能力还有待进一步提高。新型聚合物设计、水凝胶制备方法的改进和自愈合效率的提高都会对自愈性聚合物水凝胶的进一步应用产生重要影响。