生物质多糖制备水凝胶柔性传感器及其传感性能

作     者：董宝亭 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于得海

授予年度：2024年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：水凝胶 多功能 传感器 生物质多糖 柔性可穿戴 

摘      要：随着健康医疗需求的日益增长,柔性可穿戴设备的演变在软体机器人、人工智能和健康医疗监测领域实现了一定突破。柔性可穿戴设备可以将环境中的不同刺激转化为电信号的变化,以促进人们对生活的更好感知。出于传感目的,传感器的灵活性至关重要,使它们能够与人体皮肤相匹配,并增强信号采集的保真度。水凝胶材料因其柔韧性、灵敏度、生物相容性、可调控性和高含水量而被广泛用于柔性可穿戴设备,这使其成为柔性电子产品的最佳代表性材料之一。伴随着环境资源等问题的日益严重,基于生物质的绿色材料成为研究的重要方向。生物质材料作为自然及广泛存在的天然材料,因可循环利用、来源广泛、制备简单等优势,对构建绿色可持续发展的柔性可穿戴器件平台具有积极意义。本工作以生物质多糖(细菌纤维素、黄原胶)为原材料,通过自由基聚合、反复冻融等制备方法,制备了具有多功能特性的导电水凝胶传感器。水凝胶具有抑菌、抗冻、保水、粘附、自愈等功能性,同时具有良好的机械性能和电信号检测的稳定性,实现了对人体生理活动的实时精确监测。通过红外、SEM、XRD、低温实验等对凝胶材料做了各方面的表征。本文研究如下: 用细菌纤维素为原材料,利用细菌纤维素的高长径比特性和表面众多的活性官能团,细菌纤维素可以插层MXene纳米片材料,避免了MXene纳米片的自身堆叠问题,实现了MXene良好的导电性能,防止了两者的絮聚沉降问题,大大增强了水凝胶材料的机械性能。本文提出了一种MXene/TEMPO细菌纤维素(TOBC)体系双网络水凝胶。通过溶剂置换,水凝胶具有宽温度耐受性(-20-60℃)和稳定的机械性能。大量氢键、MXene/TOBC动态三维网络体系以及胶束作用赋予了水凝胶优异的机械性能(断裂伸长率～2800%,断裂强度～420 k Pa)和自愈合能力。此外,传感器还可以快速(74 ms)灵敏的(gauge factor=15.65)无线监测人体运动,生物相容性可以很好的避免与人体接触时产生的刺激。这一系列研究工作揭示了基于可自愈、良好的细胞相容性、高灵敏度、宽耐受温度和耐久性的MXene类柔性可穿戴电子器件的制作。 此外,以细菌纤维素为模板制备导电纤维,导电纤维作为凝胶导电网络的根本,通过定向冻融法制备了一种各向异性水凝胶。得到了一种导电、超强机械强度以及可回收重铸的多功能柔性可穿戴传感器。通过细菌纤维素模板制备的导电纤维不仅赋予水凝胶良好的导电性还赋予水凝胶强有力的机械性能。低含量的导电纤维通过自身以及聚乙烯醇之间的物理纠缠作用和强氢键相互作用,大幅度提升了水凝胶的机械应力,断裂应力达到2 MPa以上。作为柔性可穿戴传感器,可回收性是一大难题,由于水凝胶材料和导电纤维的热稳定性,PBA水凝胶可以实现热重铸,很好的实现了柔性可穿戴传感器的回收利用。 再次利用生物质多糖黄原胶为原材料,通过生物阴离子多糖黄原胶的还原特性和带有负电荷特性,原位还原生成纳米银颗粒。纳米银颗粒的引入赋予了水凝胶高效长期的抑菌性。通过溶剂置换法制备了疏水缔合/动态配位网络双网络水凝胶,能够在短时间内快速凝胶化。大量动态氢键和配位键协同疏水缔合网络赋予了水凝胶优异的机械性能(断裂伸长率～4900%,断裂强度～506 k Pa)和更好的自愈合能力。通过溶剂置换,水凝胶具有宽温度耐受性(-20-60℃)和稳定的电学性能可重复性。同时,可穿戴传感器的抑菌性能可以很好的避免高含水量的水凝胶滋生细菌(抑菌率99.9%)。上述一系列研究工作揭示了基于可自愈、抑菌、高灵敏度、宽耐受温度的稳定柔性可穿戴传感器的制作,在可穿戴电子器件、无线监测、人机交互等方面显示出巨大应用潜力。