一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器及其制备方法

本发明属于水凝胶高分子材料领域，具体涉及一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器及其制备方法。

背景技术：

1、目前，基于水凝胶的电子器件在各个应用领域得到广泛的研究，如传感器、电容器和摩擦纳米发电机等。由于水凝胶同时集柔韧性、导电性、可拉伸性为一体，在人体运动传感器领域具有很大的潜力。而这也对水凝胶传感器的性能提出了更高的要求，如传感灵敏度高、可重复性强、自愈速度快、抗疲劳性好等。

2、甜菜碱是一种两性离子，具有良好的生物相容性，可通过引发自由基共聚的共价交联以及两性离子单元之间存在的超分子相互作用的非共价交联形成凝胶，但是这种两性离子凝胶的机械性能通常较弱，而且一旦受到破坏后难以自行愈合，限制了其在柔性传感器领域的应用。通常可以通过物理化学双交联、双重网络的构建以及添加纳米材料增强等手段提高甜菜碱水凝胶的机械性能。

3、透明质酸是一种天然高分子线性黏多糖，作为细胞外基质的成分广泛存在于生物组织中，具有可生物降解性、润滑作用和促进伤口愈合作用等。但透明质酸水凝胶与其他天然高分子聚合物类似，容易受到机械破坏而且缺乏自我修复的能力。为解决这一问题，可利用动态共价键、非共价键和静电相互作用等方法开发具有自我修复能力的水凝胶。其中亚胺键是一种应用广泛的动态共价键，具有强度大、反应快等优点，将氧化透明质酸与羧甲基壳聚糖进行复合形成动态亚胺键，同时引入甜菜碱水凝胶中制备含有亚胺键的快速自愈合水凝胶传感器。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于克服现有的两性离子水凝胶传感器机械性能弱、愈合效率低等缺点，提供一种制备工艺简单、具有良好的机械性能、超快的愈合能力和实时高灵敏的信号传感的两性离子水凝胶传感器及其制备方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器及其制备方法：将甜菜碱聚合物与羧甲基壳聚糖相互缠绕形成水凝胶双重网络；氧化石墨烯表面含氧官能团与聚合物网络产生的电荷相互作用通过断裂分离以耗散能量，增强水凝胶传感器的机械性能；氧化透明质酸与羧甲基壳聚糖形成动态可逆的亚胺键，提供优异的自愈合能力，得到一种具有良好的机械性能、超快的愈合能力和实时高灵敏的信号传感的两性离子水凝胶传感器。

4、本发明是通过下列技术方案实现的：

5、一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器的制备方法，包括以下步骤：

6、1)称取一定量的透明质酸，充分溶解于一定体积的去离子水中，加入一定体积和一定浓度的氧化剂高碘酸钠溶液，避光反应一段时间后加入一定体积的乙二醇终止反应，采用一定截留分子量的透析袋进行透析处理一定时间，再冷冻干燥得到氧化透明质酸；

7、2)称取一定量的氧化石墨烯，加入一定体积的去离子水中，通过超声细胞破碎机处理一定时间，得到氧化石墨烯分散液；

8、3)量取一定体积上述步骤制备的氧化石墨烯分散液，加入氧化透明质酸，完全溶解后依次加入甜菜碱、羧甲基壳聚糖、过硫酸铵，完全溶解后加入一定体积的n，n，n′，n′-四甲基乙二胺，快速混匀后，导入模具静置反应一定时间成胶。

9、所述步骤1)中，透明质酸的质量为1-20克，去离子水体积为50-200毫升，高碘酸钠溶液的质量分数为5-30％，体积为5-20毫升，避光反应时间为5-10小时，乙二醇的体积为1-5毫升，所用透析袋截留分子量为1000-8000道尔顿，透析时间为24-120小时。

10、所述步骤2)中，氧化石墨烯的质量为0.01-0.2克，去离子水体积为10-30毫升，超声细胞破碎机处理时间为0.5-6小时。

11、所述步骤3)中，氧化石墨烯分散液的体积为1-10毫升，氧化透明质酸的质量分数为0.1-10％，甜菜碱的质量分数为50-70％，羧甲基壳聚糖的质量分数为0.1-10％，过硫酸铵的质量分数为0.1-10％，n，n，n′，n′-四甲基乙二胺的体积为5-50微升，反应时间为3-12小时。

12、所述的甜菜碱为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基-(3-硫代丙基)氢氧化铵、3-[(3-丙烯酰胺丙基)二甲基铵]丙酸酯、2-(甲基丙烯酰氧基)乙基-2-(三甲基氨基)乙基磷酸酯、2-(2-(2-(甲基丙烯酰氧基)乙基)二甲基酰氨基)乙酰氧基苯甲酸酯中的一种。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

14、1)本发明制备的快速自愈的两性离子水凝胶传感器，具有良好的力学性能。

15、2)本发明制备的快速自愈的两性离子水凝胶传感器，具有快速高效的自愈合能力，15分钟就可以实现完全愈合。

16、3)本发明制备的快速自愈的两性离子水凝胶传感器，能够实现实时高灵敏的信号传感

技术特征：

1.一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中透明质酸的质量为1-20克，去离子水的体积为50-200毫升，高碘酸钠溶液的质量分数为5-30％，体积为5-20毫升，避光反应时间为5-10小时，乙二醇的体积为1-5毫升，所用透析袋截留分子量为1000-8000道尔顿，透析时间为24-120小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中氧化石墨烯的质量为0.01-0.2克，去离子水体积为10-30毫升，超声细胞破碎机处理时间为0.5-6小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中氧化石墨烯分散液的体积为1-10毫升，氧化透明质酸的质量分数为0.1-10％，甜菜碱的质量分数为50-70％，羧甲基壳聚糖的质量分数为0.1-10％，过硫酸铵的质量分数为0.1-10％，n，n，n′，n′-四甲基乙二胺的体积为5-50微升，反应时间为3-12小时。

5.根据权利要求1所述的甜菜碱为[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵、[3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基-(3-硫代丙基)氢氧化铵、3-[(3-丙烯酰胺丙基)二甲基铵]丙酸酯、2-(甲基丙烯酰氧基)乙基-2-(三甲基氨基)乙基磷酸酯、2-(2-(2-(甲基丙烯酰氧基)乙基)二甲基酰氨基)乙酰氧基苯甲酸酯中的一种。

6.根据权利要求1所述制备方法得到的快速自愈两性离子水凝胶在柔性应变传感中的应用。

技术总结
本发明公开了一种快速自愈的两性离子水凝胶传感器及其制备方法。本发明采用简便的“一锅法”，将甜菜碱作为单体，赋予水凝胶传感器良好的生物相容性；氧化石墨烯作为增强项，提高水凝胶机械性能的同时提供导电性能；利用氧化透明质酸的醛基与羧甲基壳聚糖的氨基之间形成动态亚胺键，赋予水凝胶优异的愈合性能并以此作为第二网络提高水凝胶能量耗散。本发明的水凝胶传感器具有良好的机械性能、超快的愈合能力和实时高灵敏的信号传感。本发明制备方法简便且安全，在可穿戴传感器等领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：邵伟,方鸿力,魏新雨,崔智悦
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15