華南理工大学の Jia Yongguang/Shi Xuetao/Wang Lin 氏と南洋理工大学の Zhao Yanli 氏: 重合性ロタキサンハイドロゲルで 3D プリントしたフレキシブルセンサー

華南理工大学の Jia Yongguang/Shi Xuetao/Wang Lin 氏と南洋理工大学の Zhao Yanli 氏: 重合性ロタキサンハイドロゲルで 3D プリントしたフレキシブルセンサー

出典: ポリマーテクノロジー


ハイドロゲルの機械的特性、特に疲労防止特性は、フレキシブル センサーの実用化にとって非常に重要です。従来の化学的に架橋されたハイドロゲルは、ゲル ネットワークの不均一性と効果的なエネルギー散逸メカニズムの欠如により、ハイドロゲル ネットワークに不可逆的な損傷が生じやすく、これがハイドロゲルにおける生理学的信号検知の信頼性に影響し、フレキシブル センシングにおけるハイドロゲルの実用化を制限します。現在、ウェアラブルフレキシブルセンサーの長期的な応用においては、優れた機械的特性(高柔軟性、高弾性など)と高い安定性を備えたハイドロゲルの設計が依然として大きな課題となっています。
最近、華南理工大学材料科学工学部および国立人体組織機能再建工学技術研究センターの Jia Yongguang、Shi Xuetao、Wang Lin は、南洋理工大学の Zhao Yanli と共同で、天然分子胆汁酸と β-シクロデキストリンから組み立てられた擬似ロタキサンを重合性架橋剤として応用しました (図 1)。モノマーとしてアクリルアミド (Am) を使用し、導電性イオン液体 (塩化コリン、ChCl) をエチレングリコール/水二成分溶媒系に導入して、優れた引張特性、耐疲労性、耐穿刺性、その他の多機能特性を備えた PR-Gel を調製しました。インサイチュ小角X線散乱、X線回折などの方法により、可動架橋点(β-シクロデキストリン-コール酸ロタキサンユニット)によって生成される「滑車効果」が、固定架橋点とは大きく異なる機械的特性を提供し、加えられた力を効果的に分散させることができることが証明され、最終的にゲルは超疲労耐性、超高速反発性能、優れた破壊耐性を備えています(図2)。PR-Gelに基づくフレキシブルセンサーは、優れたサイクル安定性も示しました。


図1 PR-Gelの設計と3Dプリントアプリケーション


図2 PR-Gelの機械的特性と穿刺抵抗の特性

このゲルを DLP 3D 印刷技術と組み合わせることで、複雑な幾何学的構造と高解像度を備えたゲルフレキシブルデバイスが製造されました。 PR-Gel ベースのひずみセンサーは、非常に感度の高いセンシング性能を備えており、人間の動きをリアルタイムで正確に検出し、ECG 信号をその場でモニタリングすることができます (図 3)。この研究は、「ウェアラブルセンサーの3次元印刷製造のための重合可能なロタキサンハイドロゲル」というタイトルで、Nature Communications誌に掲載されました(Nature Communications 2023; 14:1331)。論文の筆頭著者は、華南理工大学の修士課程の学生である熊雪如氏です。この研究は中国国家自然科学基金およびその他のプロジェクトによって支援されました。


図3 PR-Gelをベースにした3Dプリントフレキシブルセンサー

この研究は、印刷可能な機能性材料の設計に新たなパラダイムを提供するだけでなく、3D スマートフレキシブル電子デバイスの開発に新たな機会を生み出します。

参考文献:
ウェアラブルセンサーの3次元印刷製造のための重合可能なロタキサンハイドロゲル Nature Communications 2023, 14:1331.
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36920-3




フレキシブルセンサー

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