【摘 要】
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水凝胶是一种通过化学或物理交联的极为亲水的三维网络结构材料。近年来,水凝胶因其特殊的结构和可以调控的物理化学性能而受到了越来越多的关注,基于导电水凝胶的柔性应变传感器在可穿戴设备、电子皮肤和可植入式生物电子装置方面显示出巨大的潜力。然而,水凝胶在长期使用中不可避免地会失去水分而表现出较差的耐久性。本论文在传统的裸露的水凝胶基应变传感器基础上,提出了一种外部封装策略,通过导电水凝胶作为传感元件与随后
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水凝胶是一种通过化学或物理交联的极为亲水的三维网络结构材料。近年来,水凝胶因其特殊的结构和可以调控的物理化学性能而受到了越来越多的关注,基于导电水凝胶的柔性应变传感器在可穿戴设备、电子皮肤和可植入式生物电子装置方面显示出巨大的潜力。然而,水凝胶在长期使用中不可避免地会失去水分而表现出较差的耐久性。本论文在传统的裸露的水凝胶基应变传感器基础上,提出了一种外部封装策略,通过导电水凝胶作为传感元件与随后的光聚合薄膜封装层相结合的方法来制造类似三明治结构的封装水凝胶应变传感器(Packaged hydrogel strain sensor,缩写为PHSS)。获得了具备导电性、透明性、保形粘附性、耐久性、可重复使用性的水凝胶基应变传感器。具体研究分为以下两个部分:(1)海藻酸钠-碳纳米管水凝胶基应变传感器的制备及应用。通过调控羧基化碳纳米管(CNT)和海藻酸钠(Alg)衍生物的结构制备可注射导电水凝胶,将注射的导电水凝胶导线作为内部传感元件与作为外部封装层的光聚合薄膜相结合,内部水凝胶导线表现出优异的线性应变传感性能和对应变的快速响应性。封装水凝胶应变传感器可以精准监测人体的大幅度运动及细微运动。把其与传统的裸露水凝胶应变传感器(Naked hydrogel strain sensor,缩写为NHSS)相比较,封装水凝胶应变传感器的使用寿命明显延长,这得益于外封装层对嵌入的导电水凝胶传感元件的保护作用。即使在严重脱水后,外封装层的溶胀性也使传感器可以恢复原来的大小形状以及传感性能。这项工作为制造寿命更长、可重复使用的的柔性应变传感器提供了一条新的途径。(2)海藻酸钠-银纳米线水凝胶应变传感器的制备及应用。在研究基础上,进一步丰富封装水凝胶应变传感器的性能及应用,探究了其作为可植入的柔性传感器的可能性。在这项工作中,利用银纳米线(Ag NWs)制备导电水凝胶,将其注射成导电水凝胶导线并在外部封装一层光聚合薄膜制得封装水凝胶应变传感器。得益于封装策略,将高灵敏度、线性传感特性、良好的透明性、保形粘附性、可重复使用性等多种特性集成到一个PHSS中。选择了C57/BL6小鼠作为模型,将PHSS粘附在小鼠心脏表面并连接电化学工作站,可以得到与商用Ag/Ag Cl电极接近的心电图信号轨迹。进一步证明它不仅可以精确监测人体运动,还具备监测电生理(EP)信号的能力。
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