2023年7月25日，中山大學傅軍教授團隊發表了題為“MaterialsHorizons”的論文。3dprinted microstructured ultra-sensitive pressure sensors based onmicrogel-reinforced double network hydrogels for biomechanicalapplications研究**，它提供了一種通過3D列印可固化微凝膠來製造具有高靈敏度和機械穩定性的微結構水凝膠感測器的方法。
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關於研究
水凝膠柔性感測器在健康和運動監測方面具有廣闊的應用前景。 水凝膠感測器靈敏度低是制約其發展和應用的關鍵問題。 仿生微結構的設計與構建是提高柔性感測器靈敏度、降低檢測限的重要思路。 微凝膠3D列印是構建微觀結構的有效手段，但存在結構穩定性差、列印效率低等問題。 研發快速直接列印微凝膠油墨以改善其力學效能，是解決水凝膠3D列印技術瓶頸並促進其在柔性可穿戴器件、組織工程等領域廣泛應用的關鍵。 在這裡，我們演示了通過3D列印微凝膠增強雙網路（MRDN）水凝膠來製造具有層狀結構的水凝膠感測器，以實現非常高的靈敏度和機械韌性。 聚電解質微凝膠被用作構建單元，與第二個網路相互滲透以構建超堅韌的水凝膠。 製備的水凝膠的拉伸強度為161MPa，高含水率的斷裂韌性為508mj/m。MRDN水凝膠前驅體具有可逆的凝膠-溶膠轉變，是3D列印微結構感測器陣列的理想油墨，具有高保真度和精度。 微結構水凝膠感測器的靈敏度高達0925kpa，是普通水凝膠感測器的50倍以上。 水凝膠感測器組裝成陣列安裝在鞋墊上，以監測步行過程中的足部生物力學。 此外，還製作了具有不同微觀結構和靈敏度且感測器畫素空間分布良好的感測器陣列來跟蹤爬行龜的軌跡。 該水凝膠感測器在柔性可穿戴電子裝置中具有廣闊的應用前景。
圖1：基於微凝膠的微凝膠增強雙網路水凝膠的3D列印微觀結構。
圖 2：微凝膠增強了雙網路 （MRDN） 水凝膠的機械效能。
圖3 MRDN水凝膠用於生物力學和足部健康監測。
圖 43：將 D 列印的微結構感測器陣列應用於軌跡跟蹤。
研究結論
在本文中，我們開發了一種用於 3D 列印的微凝膠增強雙網路 （MRDN） 水凝膠系統，用於設計具有高靈敏度和韌性的微結構柔性感測器，以及人體運動監測和跟蹤應用。 聚電解質微凝膠通過第二個網路相互滲透，作為構建超堅韌水凝膠的基石。 製備的水凝膠的拉伸強度為161MPa，高含水率的斷裂韌性為508mj/m。MRDN水凝膠前驅體具有可逆的凝膠-溶膠轉變，是3D列印具有高保真度和精度的微結構感測器陣列的理想油墨。 因此，層狀結構的製造可以將壓力靈敏度提高 50 倍，並在迴圈載荷下提供出色的結構穩定性。 水凝膠感測器組裝在帶有 8 通道壓力感測器的可穿戴鞋墊中，用於監測人體步態。 此外，我們還證明了靈敏度對微觀結構的依賴性。 MRDN 水凝膠被列印為柔性感測器陣列，具有精心設計的錐體、半球形和立方面內分布。 微觀結構靈敏度的差異用於幫助跟蹤在表面上移動的動物（例如，海龜）。 本研究為固化性微凝膠油墨3D列印製備高靈敏度、高穩定性微結構水凝膠感測器提供了一種有前途的方法。 高效能水凝膠壓力感測器在可穿戴裝置、軟體機械人、電子**等領域具有廣闊的應用前景。