水凝胶仿生柔性电子学

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210514

摘要/Abstract

摘要：

水凝胶力学性质与生物组织相似，生物相容性好，在生物电子学领域具有独特的优势。受生物组织——如皮肤、神经、肌肉等启发，发展了具有仿生结构和功能的水凝胶材料。以这种水凝胶材料制作而成的柔性电子器件具有感知温度、压力、应变、电场等外界刺激的功能，可模拟生物组织的传感能力，在仿生电子皮肤，人工肌肉，人工神经等领域具有重要的应用前景。总结了水凝胶仿生柔性电子学的研究进展，包括水凝胶柔性电子器件，水凝胶仿生柔性电子学的应用以及目前面临的主要挑战，并对未来需要解决的科学问题和发展方向进行了展望。

关键词: 水凝胶, 柔性电子学, 仿生, 电子皮肤

Abstract:

Hydrogels have tissue-like mechanical properties and excellent biocompatibility， and are widely recognized as ideal candidate materials for bioelectronics. Inspired by bio-tissues such as skin， nerves， and muscles， etc.， a lot of hydrogels with biomimetic structures and functions have been developed to mimic the capability of creatures to sense external stimuli including temperature， pressure， strain， and electric field， etc. Such biomimetic hydrogels have important applications in electronic skin， artificial muscles， and artificial nerves， etc. This article reviews recent progress of biomimetic flexible hydrogel electronics， including representative hydrogel flexible electronic devices， typical applications， and major challenges in this field. Some open key scientific issue and important directions are outlooked in a brief perspective section at the end.

Key words: Hydrogel, Flexible electronics, Biomimetics, Electronic skin

中图分类号:

O631

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图/表 13

图1 制备导电水凝胶的主要策略

Fig.1 Major strategies to prepare conductive hydrogels

图2 互穿网络水凝胶的制备策略［14］

Fig.2 Preparation strategy of hydrogel interpenetrating network［14］

图3 PC/rGO/PVA水凝胶制备工艺及传感性能示意图［46］

Fig.3 Schematic diagram of the preparation process and sensing performance of PC/rGO/PVA hydrogel［46］

图4 （a） PANI/P（AAm-co-HEMA）水凝胶传感器的传感性能［28］；（b）PVA/PANI水凝胶的传感和再生性能［29］

Fig.4 （a）Sensing performance of PANI/P（AAm-co-HEMA） hydrogel sensor［28］；（b）Sensing and self-repairing properties of PVA/PANI hydrogel［29］

图 5 （a） MXene （Ti3C2Tx）/ PVA水凝胶电容式传感器［55］；（b）海藻酸盐/聚丙烯酰胺水凝胶与银纳米纤维（AgNFs）组成的电容传感器［58］

Fig.5 （a） MXene （Ti3C2Tx）/PVA hydrogel capacitive sensor［55］；（b） Capacitive sensor composed of alginate/polyacrylamide hydrogel and silver nanofibers （AgNFs）［58］

图6 （a） CNTs/HAPAAm水凝胶压力传感器［62］；（b） ACC/PAA/alginate水凝胶压力传感器［63］；（c） PVA/PANI水凝胶压力传感器［64］

Fig.6 （a） CNTs/HAPAAm hydrogel pressure sensor［62］；（b） ACC/PAA/alginate hydrogel pressure sensor［63］；（c） PVA/PANI hydrogel pressure sensor［64］

图7 （a）具有褶皱结构的水凝胶传感器［68］；（b）具有微柱结构的水凝胶传感器［56］

Fig.7 （a） Hydrogel sensor with pleated structure［68］；（b） Hydrogel sensor with micropillar structure［56］

图8 PSGO-PEDOT-PAM粘附性水凝胶［77］

Fig.8 PSGO-PEDOT-PAM adhesive hydrogel［77］

图9 （a）组织粘附性两性离子纳米复合水凝胶的制备及其用作传感器［78］；（b） PDA-clay-PSBMA粘附性水凝胶用作植入式传感器［81］

Fig.9 （a） Synthesis of tissue-adhesive zwitterionic nanocomposite hydrogels and used as strain sensor［78］；（b） PDA-clay-PSBMA adhesive hydrogel and used as an implantable sensor［81］

图10 （a） TOCN/SCNT水凝胶柔性电子皮肤［77］；（b） HPC/PVA水凝胶传感器［50］

Fig.10 （a） TOCN/SCNT hydrogel flexible electronic skin［77］；（b） HPC/PVA hydrogel sensor［50］

图11 （a）载药导电水凝胶用作柔性人工神经［20］；（b）具有光响应的可拉伸导电水凝胶人工神经［84］

Fig.11 （a） The drug-loaded conductive hydrogel used as a flexible artificial nerve［20］；（b） Stretchable，light-responsive and conductive hydrogel artificial nerve with light response［84］

图12 （a）β-环糊腈纤维素纳米晶体增强后的P（AAm-co-AAc）水凝胶仿生肌肉［85］；（b）可离子打印的P（NIPAM-co-NaMAc）水凝胶驱动器［86］

Fig.12 （a） P（AAm-co-AAc） hydrogel bionic muscle reinforced by β-cyclodexnitrile cellulose nanocrystals［85］；（b） Ion-printable P （NIPAM-co-NaMAc） hydrogel actuator［86］

图13 PC-gel相变水凝胶传感器用做人工触觉反馈系统［87］

Fig.13 PC-gel phase change hydrogel sensor used as an artificial tactile feedback system［87］

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