用于光学和粘附耦合功能传感的皮肤贴合热敏结构水凝胶

智能水凝胶传感器越来越受人关注，因为它可实现对体温、湿度等物理化学参数的灵敏检测。其中可贴附在皮肤上的水凝胶传感器，更是在可穿戴电子设备领域展现出广阔的应用前景。但是，目前还面临一些亟待解决的挑战，比如难以同时满足温度响应性、粘附力可调及透明度可调等多种需求。最新的一项研究，提出了一种创新性的解决方案:一种温度响应型智能水凝胶，具有粘附力和透明度同时可切换的独特特性。这种水凝胶不仅能够紧贴皮肤，还可以根据温度变化做出快速响应，在特定温度下切换透明度和粘附强度。这让它在人机交互、生物医学检测等领域都有很大应用潜力。我们一起来了解这项最新成果的具体情况。

温度响应性水凝胶的制备与性能调控

研究团队设计了一种基于NIPAAm、AAc和ACMO单体聚合而成的温度响应型水凝胶，简称为NAPA水凝胶。通过调节AAc含量，可以精准控制NAPA水凝胶的下临界溶液温度(LCST)在36-40℃范围内，非常接近人体体温。当温度低于LCST时，NAPA水凝胶表现出优异的粘附性和高透明度;而当温度高于LCST时，其粘附性和透明度都会急剧降低。这种温度导致的相变行为，主要源于NIPAAm单体的温敏性。当温度低于LCST时，NIPAAm与周围水分子通过氢键结合，使水凝胶保持膨胀状态;而当温度升高到LCST以上，NIPAAm内部氢键断裂，水分子被排出，水凝胶网络发生收缩，从而引起粘附性和透明度的变化。

此外，通过调控AAc的含量，还可以精细调节NAPA水凝胶的机械强度。结果发现，AAc含量越高，其拉伸强度和压缩强度越大，这主要是由于更多的氢键交联使网络结构更加致密所致。这些特性使NAPA水凝胶在温度刺激下表现出可逆的粘附性和透明度变化，非常适用于皮肤贴附式的柔性传感器。

多功能耦合检测性能

除了优异的温敏性和机械特性，NAPA水凝胶还具有出色的电学性能。通过引入Mg2+和Cl-作为导电组分，可以赋予其良好的导电性。研究发现，NAPA水凝胶在拉伸应变和温度变化作用下，其电阻信号都会发生明显变化。具体来说，在0-200%的小应变范围内，NAPA水凝胶的应变灵敏系数达到0.39;在200-700%的大应变范围内，虽然灵敏度有所降低，但仍可靠地检测应变变化。此外，NAPA水凝胶在温度变化时，其电阻也会呈现"先降后升"的特点，对应于温度低于与高于LCST的两种不同响应机制。这种多重响应信号的耦合检测，是NAPA水凝胶优于传统柔性传感器的独特优势。它不仅能区分检测应变和温度，还能根据温度高低切换透明度，为应用打造了更丰富的功能。

精准3D打印提升性能

为了更好地利用NAPA水凝胶的多功能传感特性，研究团队采用了光固化3D打印技术，制造出各种复杂结构的NAPA水凝胶传感器阵列。这种3D打印技术可以精准控制水凝胶的形状和尺寸，满足不同应用场景的定制需求。值得一提的是，通过打印出特殊的圆形结构阵列，不仅可以直观地观察应变和温度对电阻信号的影响，还能实现根据温度变化切换透明度的可视化报警功能。具体来说，当NAPA水凝胶的温度高于LCST时，它就会变得不透明，从而触发附着在其下面的报警灯开启。这种温度阈值报警设计，对于一些生命安全相关的应用场景非常有用。

此外，在手背等曲面上贴附NAPA水凝胶传感器阵列，也能实时监测人体手势变化所引起的应变和温度信号。这种集应变、温度、透明度于一体的多功能传感，为未来智能可穿戴设备和人机交互界面带来了无限可能。值得一提的是，NAPA水凝胶在更复杂的环境条件下，例如贴附在气球表面，依然表现出良好的检测稳定性。这说明它有望应用于心率、呼吸等身体内部器官的实时监测。

总结与展望

总的来说，这项研究巧妙地设计并制造出一种温度响应型水凝胶，实现了粘附力、透明度、电阻响应等多重功能的耦合调控。通过改变单体组成，可以精准地调节其相变温度，使之匹配人体温度环境。与此同时，采用光固化3D打印技术制备了复杂结构的NAPA水凝胶传感器阵列，进一步拓展了其在智能可穿戴、人机交互等方面的应用前景。这项研究为开发新一代柔性电子设备提供了新思路。

未来，我们可以期待这种温敏水凝胶在以下领域发挥更大作用:

智能医疗贴片：可定制贴附在皮肤上，同时检测温度、应变等生理信号，并根据温度变化自动报警。

柔性可穿戴设备：通过3D打印制造成各种人体曲面贴合的形状，实现对人体活动的全面监测。

人机交互界面：利用温度导致的粘附力和透明度变化，开发新型交互模式，如触摸屏、手势识别等。

内脏健康监测：由于粘附性强，可紧贴在内脏表面，动态监测其生理状态变化。

相信在不久的将来，这种智能水凝胶会逐步走进我们的生活，为我们提供更智能、更人性化的服务体验。让我们一起期待这个发展前景广阔的未来!

图1 热响应水凝胶的设计和制造

图2. NAPA水凝胶的机械和光学性能表征

图3. NAPA水凝胶可切换粘附性能的表征及机理

图4. NAPA水凝胶的机电特性及调控

图5. 用于人体检测的应变和温度耦合响应传感器的设计和应用演示

DOI: 10.1002/smll.202411808