3DプリントPVA二重ネットワークイオン伝導性複合ハイドロゲル

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

イオン伝導性ハイドロゲルは、エネルギー貯蔵と変換、ソフトロボット、バイオセンシングなどの分野でますます使用されています。特に、高分子電解質ハイドロゲルは、そのポリマー鎖が正または負の電荷を帯び、優れた電気化学的安定性と電荷安定性を示すため、特別な注目を集めています。しかし、これらのハイドロゲルの機械的な脆弱性により、実際の用途での広範な使用が制限されています。

これを踏まえ、西北工科大学の張彪チームと淮陰理工大学の胡光チームは、新型の3Dプリントイオン伝導性複合ハイドロゲルを開発しました。このハイドロゲルは、改質ベントナイト（アタパルジャイト、ATPと呼ばれる）とポリビニルアルコール（ポリビニルアルコール、PVAと呼ばれる）の二重ネットワーク強化を加えることで、優れた機械的特性とイオン伝導性を備えています。

図 1 アタパルジャイト強化イオン伝導性ハイドロゲルの 3D プリント高い機械的強度と良好な電気伝導性を備えた N,N,N-トリメチルエチルアミノクロリド (AEtMACl) ベースのハイドロゲルは、α-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン (MPS) と PVA 半結晶性二重ネットワーク強化で適度に改質された ATP 剛性粒子を使用して製造されました。デジタル光処理 (DLP) 技術を使用することで、この複合ハイドロゲルは迅速に印刷でき、3D 印刷における従来のハイドロゲルの限界を克服します。

図 2 アタパルジャイト強化の堅牢な導電性イオン複合ハイドロゲルの機械的特性と電気的特性イオン導電性ハイドロゲルの機械的特性は、M-ATP (改質アタパルジャイト) 含有量、PVA (ポリビニルアルコール) 含有量、水分含有量、およびそれらの相互作用を調整することによって最適化されました。実験結果によると、M-ATP 含有量が 5wt%、PVA 含有量が 7wt%、水分含有量が 40% の場合、ハイドロゲルは引張強度と延性の向上など、総合的な機械的特性が最も優れていることがわかりました。さらに、構造設計により、ハイドロゲルのひずみ限界を超えるひずみセンサーを作製し、繰り返し引張試験においてハイドロゲルが良好な繰り返し安定性を有することを実証しました。これは、ウェアラブルひずみセンサーの開発にとって大きな意義があります。

図 3 アタパルジャイトで強化された堅牢な導電性イオン複合ハイドロゲルの電気特性改質されたアタパルジャイト強化イオン導電性ハイドロゲルの電気特性（異なる水分含有量での導電性、伸張中の抵抗変化、周期的伸張中のひずみ検知特性など）。実験により、ハイドロゲルの導電率は水分含有量の増加とともに増加し、0% ～ 90% のひずみ範囲で線形応答を示し、優れたひずみ検知特性を示すことがわかりました。さらに、このハイドロゲルを使用して作られたバイオセンサーは、人間の喉仏の動き、例えば話すときや飲み込むときの上下の動きを検知することができ、バイオセンシングの分野での応用の可能性を示しています。

図 4 ハイドロゲルセンサーのパッケージングと構造設計乾燥環境または湿潤環境での安定性を向上させるために改良されたアタパルジャイト強化イオン伝導性ハイドロゲルのパッケージングと構造設計の方法。ポリウレタンベースの透明エラストマーを使用してハイドロゲルをカプセル化することで、環境変化によるハイドロゲルの脱水や吸水の問題がうまく解決され、保存時間が大幅に改善されました。さらに、正弦波形状のひずみセンサーなどの設計されたセンサー構造により、ハイドロゲルのひずみ検知範囲を 175% まで拡張でき、実際のアプリケーションにおけるパフォーマンスが向上します。カプセル化されたセンサーは、室温で 12 時間保管した後でも導電性と検知性能を維持でき、カプセル化戦略の有効性を実証しています。

全文の要約:
要約すると、本論文では、デジタル光処理 (DLP) 3D 印刷技術を使用して、優れた機械的特性とイオン伝導性を備えた複合ハイドロゲルを製造することに成功しました。中程度に改質されたアタパルジャイト (M-ATP) とポリビニルアルコール (PVA) の二重ネットワークによって強化されたハイドロゲルは、水分含有量 40% で最適な導電性を示すだけでなく、カプセル化戦略によって環境安定性と保管時間が大幅に向上します。さらに、このハイドロゲルはバイオセンシングの分野で大きな可能性を示しており、喉仏の動きや指の曲げなどの動作を検知できるため、フレキシブル電子デバイスやスマートウェアラブル技術の開発に革新的な材料ソリューションを提供します。

ソース：
https://doi.org/10.1002/adfm.202408775

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