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  柔性可穿戴壓力傳感器因其優(yōu)異的響應性和復雜曲面適應能力，在健康監(jiān)測、智能醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應用。但是，受限于材料本身的均質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的壓力傳感器難以同時實現(xiàn)高靈敏度和寬壓力檢測范圍。梯度結(jié)構(gòu)離子導電水凝膠為解決這一難題提供了策略，但如何通過簡便的方式構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)離子導電水凝膠，仍然面臨著挑戰(zhàn)。

圖1. 植酸誘導的模量梯度離子導電水凝膠用于高靈敏寬范圍壓力傳感

  近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進診療材料與技術(shù)實驗室王榮團隊基于植酸-聚合物相互作用機理研究，開發(fā)出了一種簡便易行的模量梯度離子導電水凝膠構(gòu)建策略，并用于構(gòu)筑高性能壓力傳感器。該傳感器具有寬的壓力檢測范圍，以及優(yōu)異的低壓檢測能力和高的整體靈敏度，可有效識別聲波和氣流引起的微弱壓力，由說話和手指按壓產(chǎn)生的中度壓力，以及較高量級的足底壓力（圖1）。該工作以“Phytic Acid-induced Gradient Hydrogels for Highly Sensitive and Broad Range Pressure Sensing”為題發(fā)表《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2025, 2417978.）。中國科學院寧波材料所與上海大學碩士合培生宋磊為第一作者，寧波材料所王榮研究員、上海大學尹靜波教授、寧波大學附屬第一醫(yī)院沈毅主任醫(yī)師為論文共同通訊作者。該工作得到了中國科學院青年創(chuàng)新促進會和寧波市重點研發(fā)計劃的支持。

  研究人員通過研究植酸（Phytic acid，PA）與水凝膠基質(zhì)的相互作用，首次發(fā)現(xiàn)了植酸與不同聚合物之間存在顯著區(qū)別的作用方式。在聚丙烯酰胺/植酸（PAM/PA）水凝膠中，PA在PAM網(wǎng)絡中表現(xiàn)出明顯的增塑作用，增加了PAM分子鏈的活動能力，顯著降低了水凝膠的模量。而在聚丙烯酸/植酸（PAA/PA）水凝膠中，PA促進了PAA的微相分離，其相分離結(jié)構(gòu)顯著增強了水凝膠的力學性能。基于上述機理研究，研究團隊通過簡便的預聚液澆筑法，將不同植酸-聚合物的水凝膠整體構(gòu)筑為具有梯度模量的離子導電水凝膠壓力傳感器。該傳感器同時實現(xiàn)了高的靈敏度（9.00 kPa^-1，<15 kPa）和寬的壓力檢測范圍（3.7 Pa ~ 1200 kPa）。值得注意的是，在梯度水凝膠中，富含增塑作用的PAM/PA區(qū)域和富含微相分離的PAA/PA區(qū)域分別為壓力傳感器提供了優(yōu)異的低壓檢測能力和高壓響應性。對于不同頻率（100 Hz ~ 6000 Hz）和振幅（70 dB ~ 100 dB）的聲波，該水凝膠傳感器可以實現(xiàn)靈敏的無接觸式響應，對于聲音亦可實現(xiàn)特異且可重復的識別。該傳感器也可靈敏感知低至0.2 m/s流速的微弱氣流。進一步的，對于脈搏、肌肉振動等生理信號，以及壓力較大的手指按壓，該傳感器均可實現(xiàn)靈敏的檢測和響應。將該傳感器組裝制作成無線傳輸式足底傳感陣列，可實現(xiàn)較高壓的足底壓力分布檢測，對于不同的靜態(tài)站姿和行走時的足底壓力變化均具有連續(xù)且穩(wěn)定的響應。此外，PA還賦予了水凝膠優(yōu)異的抗菌性能和生物相容性，為該壓力傳感器在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用奠定了基礎(chǔ)。

圖2. PAM/PA水凝膠的機械性能表征及作用機理示意圖。

圖3. PAA/PA水凝膠的機械性能表征及作用機理示意圖。

圖4.水凝膠梯度結(jié)構(gòu)與力學性能表征。

圖5. 梯度水凝膠壓力傳感器的傳感性能表征。

圖6. 梯度水凝膠壓力傳感器對于聲波、氣流和生理信號的檢測能力。

圖7. 梯度水凝膠壓力傳感器對于足底壓力分布的檢測能力。

圖8. 水凝膠的抗菌性和生物相容性。

  在這項工作中，研究者們提出了一種基于PA與聚合物之間差異化相互作用構(gòu)建梯度離子水凝膠的新策略。利用PA在PAM中的增塑作用和PA在PAA中的微相分離作用，通過預聚液滲透法制備了梯度離子導電水凝膠壓力傳感器。PA的增塑作用和相分離效應使梯度壓力傳感器兼具高靈敏度、寬檢測范圍和卓越的低壓檢測能力。此外，PA還賦予水凝膠優(yōu)異的抗菌性能和生物相容性。該PA誘導的梯度離子水凝膠壓力傳感器有望應用于在電子皮膚、人機接口和健康監(jiān)測等領(lǐng)域。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202417978