2023年7月25日，中山大学傅军教授团队发表了题为“MaterialsHorizons”的论文。3dprinted microstructured ultra-sensitive pressure sensors based onmicrogel-reinforced double network hydrogels for biomechanicalapplications研究**，它提供了一种通过3D打印可固化微凝胶来制造具有高灵敏度和机械稳定性的微结构水凝胶传感器的方法。
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关于研究
水凝胶柔性传感器在健康和运动监测方面具有广阔的应用前景。 水凝胶传感器灵敏度低是制约其发展和应用的关键问题。 仿生微结构的设计与构建是提高柔性传感器灵敏度、降低检测限的重要思路。 微凝胶3D打印是构建微观结构的有效手段，但存在结构稳定性差、打印效率低等问题。 研发快速直接打印微凝胶油墨以改善其力学性能，是解决水凝胶3D打印技术瓶颈并促进其在柔性可穿戴器件、组织工程等领域广泛应用的关键。 在这里，我们演示了通过3D打印微凝胶增强双网络（MRDN）水凝胶来制造具有层状结构的水凝胶传感器，以实现非常高的灵敏度和机械韧性。 聚电解质微凝胶被用作构建单元，与第二个网络相互渗透以构建超坚韧的水凝胶。 制备的水凝胶的拉伸强度为161MPa，高含水率的断裂韧性为508mj/m。MRDN水凝胶前驱体具有可逆的凝胶-溶胶转变，是3D打印微结构传感器阵列的理想油墨，具有高保真度和精度。 微结构水凝胶传感器的灵敏度高达0925kpa，是普通水凝胶传感器的50倍以上。 水凝胶传感器组装成阵列安装在鞋垫上，以监测步行过程中的足部生物力学。 此外，还制作了具有不同微观结构和灵敏度且传感器像素空间分布良好的传感器阵列来跟踪爬行龟的轨迹。 该水凝胶传感器在柔性可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景。
图1：基于微凝胶的微凝胶增强双网络水凝胶的3D打印微观结构。
图 2：微凝胶增强了双网络 （MRDN） 水凝胶的机械性能。
图3 MRDN水凝胶用于生物力学和足部健康监测。
图 43：将 D 打印的微结构传感器阵列应用于轨迹跟踪。
研究结论
在本文中，我们开发了一种用于 3D 打印的微凝胶增强双网络 （MRDN） 水凝胶系统，用于设计具有高灵敏度和韧性的微结构柔性传感器，以及人体运动监测和跟踪应用。 聚电解质微凝胶通过第二个网络相互渗透，作为构建超坚韧水凝胶的基石。 制备的水凝胶的拉伸强度为161MPa，高含水率的断裂韧性为508mj/m。MRDN水凝胶前驱体具有可逆的凝胶-溶胶转变，是3D打印具有高保真度和精度的微结构传感器阵列的理想油墨。 因此，层状结构的制造可以将压力灵敏度提高 50 倍，并在循环载荷下提供出色的结构稳定性。 水凝胶传感器组装在带有 8 通道压力传感器的可穿戴鞋垫中，用于监测人体步态。 此外，我们还证明了灵敏度对微观结构的依赖性。 MRDN 水凝胶被打印为柔性传感器阵列，具有精心设计的锥体、半球形和立方面内分布。 微观结构灵敏度的差异用于帮助跟踪在表面上移动的动物（例如，海龟）。 本研究为固化性微凝胶油墨3D打印制备高灵敏度、高稳定性微结构水凝胶传感器提供了一种有前途的方法。 高性能水凝胶压力传感器在可穿戴设备、软体机器人、电子**等领域具有广阔的应用前景。