丝素蛋白复合水凝胶的制备及在柔性传感器中的应用研究

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近年来,随着柔性电子和仿生领域的快速发展,新型水凝胶材料引起了研究者们的广泛关注。水凝胶具有柔软、高拉伸、模量与生物组织高度匹配等特性,在柔性可穿戴传感器、电子皮肤、植入式医疗设备等领域有着广阔的应用前景。本论文围绕丝素蛋白复合水凝胶(SFH)的制备、形貌和结构表征以及各项性能(包括机械性能、自粘性和自愈合性能)等方面展开了研究,并展示了其作为柔性可穿戴传感器在人体运动检测、健康监测、声音识别等领域潜在的应用价值。本论文的主要创新点和工作内容如下:1.使用方法简便、成本低廉的一锅热聚合法制备出了由丝素蛋白(SF)复合的具有高拉伸性、自粘性和自愈合性能的离子导电水凝胶。该水凝胶是通过丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和SF在加热条件下进行化学和物理交联形成的,具备双网络结构,且在空气中比较稳定。SF的添加不仅显著提高了 SFH的机械性能,而且赋予了该水凝胶优异的自粘性和自愈合能力,无需额外使用胶带就可与被测物体表面如人体皮肤形成牢固的贴合,提高了 SFH柔性传感器在信号检测过程中的精准度和传输过程中的稳定性。此外,无需光、热、电等外界刺激,仅在室温下SFH就可实现其电学性能和机械性能的同步恢复。SFH是离子导电型水凝胶,其电学性能可瞬时恢复,机械性能在室温下12 h的愈合效率可达50%。2.SFH凭借其较宽的压力检测范围(约0.455~568.9 kPa),可作为电阻式应变/压力传感器来实时监测人体的关节运动与面部微表情,且其在-10~60℃的温度范围内具有良好的传感响应。对机械和温度具有双重响应的SFH有望应用于柔性可穿戴传感器、电子皮肤和健康监测等领域。3.SFH柔性传感器对微小复杂的振动有着优异的响应灵敏度,可以感应人体在发声过程中颈部皮肤的精细振动,并以电阻信号输出。因此,可与人工智能领域的机器学习相结合应用于语音识别、发音矫正、聋哑人“智能发声”和喉部疾病早期监测等领域。
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