中大新聞網訊（通訊員付俊）水凝膠柔性傳感器在健康和運動監測方面具有廣闊的應用前景。水凝膠傳感器靈敏度較低，是制約其發展和應用的關鍵問題。設計和構筑仿生微結構是提高柔性傳感器靈敏度、降低檢測限的重要思路。微凝膠3D打印是構筑微結構的有效手段，但存在結構穩定性較差，打印效率低等問題。研究和開發快速、直接打印的微凝膠墨水，提高其機械性能，是解決水凝膠3D打印技術瓶頸，推動其在柔性可穿戴設備、組織工程等領域廣泛應用的關鍵。
中山大學材料科學與工程學院付俊教授團隊開發了一種基于微凝膠增強雙網絡水凝膠的3D打印策略，構筑微結構柔性傳感器（圖1），大幅度提高了傳感靈敏度，并且獲得了優異的強韌性，應用于生物力學監測和運動軌跡追蹤。該研究的主要創新思想是：以聚電解質微凝膠為基本單元和能量耗散中心，與第二網絡形成互穿雙網絡結構，合成高強韌水凝膠。利用微凝膠-單體分散液可逆的凝膠-溶膠轉變特性，實現了室溫下直接擠出打印，然后紫外光固化，制備得到高強韌、穩定的微結構，從而解決了傳統3D打印水凝膠流動性、可打印性與結構穩定性之間的矛盾，為3D打印高精度且穩定的微結構提供了新思路。
圖1 基于微凝膠增強雙網絡水凝膠的3D打印微結構
該課題組以聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）微凝膠作為基本犧牲單元以耗散能量，與聚丙烯酸（AAc）第二網絡互穿形成微凝膠增強雙網絡水凝膠，含水量高達65%時，拉伸強度可1.61 MPa，斷裂韌性5.08 MJ/m3。3D打印水凝膠的機械性能與模板法制備的水凝膠完全一致，經利刃切割后仍保持結構完整（圖2），解決了傳統的3D打印水凝膠傳感器機械性能差，結構與性能不穩定的難題。
圖2 微凝膠增強雙網絡（MRDN）水凝膠的力學性能
微凝膠增強雙網絡水凝膠具有較好的傳感靈敏度和出色的傳感穩定性。基于這一優勢，該課題組設計制造了用于監測足底生物力學特性的陣列式傳感器。根據人體足骨骼分布，設計了一個具有八通道水凝膠傳感器陣列的可穿戴鞋墊，監測步態過程中足底應力分布（圖3），在健康監測和智能醫療設備中有著良好的應用前景。
圖3 MRDN水凝膠用于生物力學及足部健康監測
3D打印的尖銳結構在低載荷下顯著增加接觸面積并發生應力集中，大幅提高靈敏度。如：微金字塔的壓力靈敏度比圓柱結構提高了50倍（圖4）。利用不同微結構傳感器的靈敏度差異，設計了空間分布的微結構傳感器陣列，通過傳感器信號的實時變化，跟蹤、定位小烏龜的爬行軌跡，在軟機器人及柔性可穿戴電子設備方面具有廣泛的應用前景。
圖4 3D打印微結構傳感器陣列應用于軌跡跟蹤
該研究提供了一種通過可固化微凝膠3D打印來制備具有高靈敏度和力學穩定性的微結構水凝膠傳感器的方法。這一新策略有望開發應用于可穿戴智能醫療設備的高性能水凝膠壓力傳感器。
該項研究以“3D Printed Microstructured Ultra-Sensitive Pressure Sensors Based on Microgel-Reinforced Double Network Hydrogels for Biomechanical Applications”為題發表在Materials Horizons。文章的第一作者是中山大學材料科學與工程學院2021級碩士研究生鄭靜霞和2021級博士研究生陳國旗，付俊教授為通訊作者。該工作得到了國家自然基金以及工業和信息化部的支持。
