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Highly Stretchable, Fast Self-Healing, Self-Adhesive, and Strain-Sensitive Wearable Sensor Based on Ionic Conductive Hydrogels

材料科学 自愈水凝胶 单宁酸 聚丙烯酸 自愈 化学工程 生物相容性 丙烯酸 羟乙基纤维素 高分子化学 聚合物 复合材料 化学 纤维素 有机化学 单体 冶金 替代医学 病理 工程类 医学
作者
Ruirui Li,Jie Ren,Minmin Zhang,Meng Li,Yan Li,Yang Wu
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:25 (2): 614-625 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.3c00695
摘要

Conductive hydrogels integrate the conductive performance and soft nature, which is like that of human skin. Thus, they are more suitable for the preparation of wearable human-motion sensors. Nevertheless, the integration of outstanding multiple functionalities, such as stretchability, toughness, biocompatibility, self-healing, adhesion, strain sensitivity, and durability, by a simple way is still a huge challenge. Herein, we have developed a multifunctional chitosan/oxidized hyaluronic acid/hydroxypropyl methylcellulose/poly(acrylic acid)/tannic acid/Al3+ hydrogel (CS/OHA/HPMC/PAA/TA/Al3+) by using a two-step method with hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), acrylic acid (AA), tannic acid (TA), chitosan (CS), oxidized hyaluronic acid (OHA), and aluminum chloride hexahydrate (AlCl3·6H2O). Due to the synergistic effect of dynamic imine bonds between CS and OHA, dynamic metal coordination bonds between Al3+ and −COOH and/or TA as well as reversible hydrogen, the hydrogel showed excellent tensile property (elongation at break of 3168%) and desirable toughness (0.79 MJ/m3). The mechanical self-healing efficiency can reach 95.5% at 30 min, and the conductivity can recover in 5.2 s at room temperature without stimulation. The favorable attribute of high transparency (98.5% transmittance) facilitates the transmission of the optical signal and enables visualization of the sensor. It also shows good adhesiveness to various materials and is easy to peel off without residue. The resistance of the hydrogel-based sensors shows good electrical conductivity (2.33 S m–1), good durability, high sensing sensitivity (GF value of 4.12 under 1600% strain), low detection limit (less than 1%), and short response/recovery time (0.54/0.31 s). It adhered to human skin and monitored human movements such as the bending movements of joints, swallowing, and speaking successfully. Therefore, the obtained multifunctional conductive hydrogel has great potential applications in wearable strain sensors.
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