Strong and Tough Antifreezing Hydrogel Sensor via the Synergy of Coordination and Hydrogen Bonds

自愈水凝胶 材料科学 氢键 水溶液中的金属离子 生物相容性 韧性 分子 甜菜碱 化学工程 纳米技术 复合材料 金属 高分子化学 有机化学 化学 冶金 工程类
作者
Qin Yang,Wenjing Yang,Zhen Wang,Rong Chen,Mingzi Li,Chuanjian Qin,Dahang Gao,Wei Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (44): 51684-51693 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acsami.3c10205
摘要

Hydrogel sensors are fascinating as flexible sensors and electronic skin due to their excellent biocompatibility and structure controllability. However, developing conductive hydrogels possessing both excellent mechanical and antifreezing properties for environmental-adaptive sensors remains a challenge. Herein, a strategy of combining betaine and metal ions to construct poly(acrylic acid) (PAA)-based high-conductive hydrogels has been reported. PAA-Al3+/betaine hydrogels with high toughness and antifreezing property were prepared by a one-step UV curing method. Their high toughness is attributed to the coordination of metal ions with the carboxylic groups in PAA, the interaction of betaine with PAA, and the formation of hydrogen bonds between them and water molecules. Moreover, the significant antifreezing property is due to the reduction of free water in the hydrogel. This, in turn, is attributed to the hydration of metal ions and the synergistic hydrogen bonding between betaine and water. The experiments demonstrate that the hydrogel has excellent mechanical property, high conductivity, superior transparency, antiswelling property, antipuncture as well as shape memory properties, and especially, low cytotoxicity. It can be used as a sensor for motion detection and information recognition. This work provides new insights into the application of flexible sensors and human-machine interfaces in multienvironmental conditions.
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