仿生/高弹性/快速响应的防冻离子导电水凝胶，耐压力/应变传感器

导电水凝胶在柔性设备、软机器人和人工智能领域引起了极大的关注。可靠的弹性、高应变敏感性和优异的机械性能等协同特性的集成仍然是应变传感器的一大挑战。大多数具有优异机械性能的生物组织由两部分协同的“软硬”网络结构组成。例如，人体重要的组织韧带是由“刚性”成分胶原纤维和“软”成分弹性蛋白网络组成。肌腱还具有“软”和“硬”成分的协同结构。核碱基是重要的生命分子，是DNA和RNA的基本单位，在自然界中广泛存在且易于制备。在核酸-碱基分子中，有氢键供体和受体。因此，在含有疏水缔合、氢键和 π-π 堆积的核碱基之间形成了多个氢键相互作用。核碱基分子相互作用已广泛应用于各种材料体系，如粘合材料、自修复材料，和坚韧的水凝胶。

受生物软组织中“软硬”网络的启发，南开大学科研团队通过将核酸碱基的“刚性”交联纳米域引入纯氢键交联“软”聚合物网络中，制备导电水凝胶，并模拟生物组织的复杂结构。在变形过程中，纳米域中核酸碱基之间的动态多重物理相互作用，包括疏水相互作用、氢键和 π-π 堆积，可以作为牺牲键有效地耗散能量。氢键交联聚（丙烯酰胺-N-丙烯酰基-2-甘氨酸) (P(AM-ACG)) 聚合物系统可实现平稳的应力转移，赋予材料优异的机械性能，如坚固的韧性、优异的拉伸性能（680%）和良好的回弹性（92.53%）。无机盐离子（Li+、Na+和 Cl-) 在三维网络中为水凝胶提供了优异的导电性能（高灵敏度 (GF = 3.12) 和快速应变响应 (≤100 ms)）和抗冻性能。该材料可在宽检测窗口和宽温度范围内用作多功能传感器。此外，作为压力和应变传感器的水凝胶不仅可以区分宏观机械拉伸和压缩，还可以监测人体运动的细微生理信号，包括手指弯曲、吞咽、慢跑和跑步。因此，具有“刚软”层次结构的核苷酸驱动的离子导电水凝胶将在智能可穿戴设备领域具有广泛的应用，如电子皮肤、生物传感器和健康监测。

图1. BA-A和P(AM-BA-A-ACG)的合成路线。

相关论文以题为Bioinspired, nucleobase-driven, highly resilient, and fast-responsive antifreeze ionic conductive hydrogels for durable pressure and strain sensors发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。通讯作者是南开大学伍国琳副教授。

参考文献：

doi.org/10.1039/D1TA05262D