软电子学依赖于可变形、柔性和轻质材料来构建电子元件和设备。传统的刚性电子材料（如硅基材料）难以满足这些要求，因此，研究人员开始探索各种新型软材料，如水凝胶、弹性体等。然而，这些材料在导电性、稳定性和加工性上往往存在局限性。特别是对于水凝胶，其高含水率虽然赋予了良好的生物相容性和柔韧性，但也带来了易脱水、导电性差等问题。图1 可编程微流体辅助水凝胶贴片(MAHPs)的设计策略和组成。a) MAHP和嵌入式Ag-LPA水凝胶的潜在应用原理图。b)柔性和皮肤集成MAHP的光学图像。c)基于拉伸性和导电性的MAHP与现有作品的比较。近期，香港城市大学马志强团队精心构建了一种创新的木质素-聚丙烯酰胺（Ag-LPA）水凝胶复合材料，该材料集防冻性能、卓越的自粘附特性、非凡的保水能力以及惊人的高拉伸性（高达1072%）于一身。尤为值得注意的是，此复合材料在广泛温度范围内，无论是温暖的室温环境还是极端寒冷的条件下，均展现出了令人瞩目的导电性能，确保了其在多种应用场景下的稳定性与可靠性。为了推动Ag-LPA水凝胶复合材料的定制化设计与应用，研究团队进一步引入了微流体辅助水凝胶贴片（MAHPs）技术。这一创新策略不仅丰富了材料的加工手段，还极大地拓宽了其在软电子领域的应用潜力。通过该技术，研究团队成功研制出了一系列功能多样、尺寸各异的软电子产品，广泛应用于医疗监测领域、环境温度传感系统以及创新的3D弹簧压力监测电子产品中，展现了其广泛的适用性和高度的灵活性。极寒环境的景色进一步延伸。嵌入Ag-LPA水凝胶复合材料的导电性揭示了MAHPs在极地救援任务中的潜力。
图2 Ag-LPA水凝胶复合材料的合成及其机电稳定性和电稳定性表征。a) Ag-LPA水凝胶复合物的合成流程。a (i).说明Ag-LPA水凝胶复合物微观形貌的SEM图像。a (ii).银片GDP的能谱分析。b) 8% Ag-LPA水凝胶复合材料在拉伸测试中拉伸到1000%以上的光学图像。c) 6%、8%、10%、12% Ag- lpa水凝胶复合材料的应力-应变曲线，并计算出各Ag片含量下的杨氏模量(插图)。d) 8% Ag-LPA水凝胶复合材料的耐药稳定性。d (i). 100%机械应变下1000次循环的电阻稳定性。d (ii).前10个周期100%机械应变下的电阻变化。d (iii).在100%机械应变下，最后10个周期的电阻变化。e)高温蒸发条件下(70℃)Ag-LPA水凝胶复合材料的失水情况。f)室温和- 20℃下100%机械应变下Ag-LPA水凝胶复合材料的电阻变化。g)从室温到- 20℃温度急剧变化的耐稳定性。h)室温和- 20℃时Ag-LPA水凝胶复合材料的电导率。
Ag-LPA水凝胶复合材料的高导电性主要归功于其内部的银纳米粒子网络。银纳米粒子作为优良的导电材料，被均匀地分散在水凝胶基质中，形成了连续的导电通路。这种结构不仅保证了材料的高导电性，还使其能够在拉伸过程中保持稳定的导电性能。该材料的高拉伸性源于其特殊的化学结构和物理交联网络。木质素和聚丙烯酰胺的协同作用，赋予了材料优异的机械性能。同时，自粘性特性使得该材料能够紧密贴合各种表面，无需额外的粘合剂，从而简化了加工过程并提高了设备的可靠性。Ag-LPA水凝胶复合材料还表现出优异的抗冻性和高保水性。即使在极低温度下，材料内部的水分也不会迅速结冰，从而保证了导电性能的稳定性。此外，其高保水性使得材料在长时间使用过程中仍能保持良好的导电性和柔韧性。
![]()
图3 可编程MAHP的制备与表征。a)可编程微流体水凝胶贴片的制作程序。1)个性化图案设计与密封微流控贴片制作;2)水凝胶溶液制备与注射;3)紫外线触发水凝胶合成。b) Ag-LPA水凝胶复合物内部交联及与PDMS底物的粘附。c) Ag-LPA水凝胶复合材料与PDMS、环氧树脂和聚酰亚胺基材的粘附强度。d)可编程微流控水凝胶贴片从一维到三维的多维个性化设计概述。e)用标有“CITYU MPM”字样的灯泡测试可编程MAHP在放松、拉伸和弯曲位置下的稳定性。
![]()
图4 MAHP在不同场景下的性能。a)运动监视器补丁的演示。b)直线设计的MAHP应力分布可作为应变传感器进行健康监测。c,d)运动监测仪贴片响应人体脉搏波的归一化电阻变化。e)实时检测落花花瓣。f) MAHP伤口愈合的演示。g)电压刺激伤口愈合MAHP。h) SD大鼠伤口上覆盖MAHP的展示。i)在有电场或没有电场的情况下，第0、7和12天伤口区域的光学图像。j)第7、12 h创面面积分析。k)三维弹簧传感器的“按”和“放”阶段演示。l)三维弹簧传感器电阻归一化变化。为了充分发挥Ag-LPA水凝胶复合材料的优势，研究团队进一步提出了可编程微流体辅助水凝胶贴片（MAHPs）的概念。通过微流体技术，可以精确控制水凝胶的形状、尺寸和内部结构，从而实现定制化设计。这种技术不仅提高了水凝胶贴片的加工精度和灵活性，还为其在软电子领域的广泛应用提供了可能。综上所述，该工作报道了一种革命性的自粘Ag-LPA水凝胶复合材料。该材料中的GDP机制巧妙地利用银片构建了一个连续的导电网络，确保了补丁内部具备卓越的导电性能。相较于其他软电子材料，Ag-LPA水凝胶复合材料在电导率（高达47.924 S cm-1）与拉伸性（惊人的1072%）之间实现了完美的平衡，这一特性在同类材料中极为罕见。更令人印象深刻的是，即便在极端寒冷的环境条件下（-20°C时仍能保持42.507 S
cm-1的导电性），该材料依然能够维持其高导电性，展现出非凡的环境适应性和稳定性。基于Ag-LPA水凝胶复合材料的这些独特优势，研究团队成功制造出了具有个性化结构的MAHPs（微流体辅助水凝胶贴片），这些贴片不仅具有高通用性，还具备优秀的保水能力，为软生物电子产品的创新设计提供了强有力的支持。通过可编程微流控技术，研究团队巧妙地将自粘Ag-LPA水凝胶复合材料嵌入通道之中，促进了通道内部形成紧密而稳定的氢键网络，进一步增强了材料的整体性能。得益于其高度可定制的设计特性，个性化MAHPs在软电子领域展现出了广阔的应用前景。在医疗健康领域，MAHPs可以应用于各种可穿戴设备中，如智能绷带、心电图监测贴片等。这些设备能够实时监测患者的生理指标，如心率、血压、血糖等，并将数据传输至云端或移动设备进行分析处理。由于MAHPs具有良好的生物相容性和柔韧性，因此能够提供更舒适、更准确的监测体验。在环境监测方面，MAHPs可以作为温度传感器用于极端环境条件下的温度监测。由于其高导电性和抗冻性，该材料能够在极低的温度下正常工作，为极地考察、高山探险等场景提供可靠的温度数据支持。此外，MAHPs还可以应用于3D弹簧压力监测电子系统中。通过定制化设计，可以制作出具有特定形状和弹性系数的MAHPs贴片，用于监测不同物体或结构上的压力分布和变化情况。这种技术在工业自动化、机器人技术等领域具有广泛的应用前景。原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202401930
更多文章请点击：
脱落源性外泌体、Cu2+和可注射透明质酸水凝胶对牙周骨再生的抗菌、抗炎和成骨活性的协同作用
东华大学武培怡教授团队《Joule》：高功率密度和高强韧力学性能的离子热电池
炎症控制器——芝加哥大学Bozhi Tian团队活性水凝胶新应用
