本申请公开了一种多功能离子导电型高强韧水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子水凝胶领域。一种离子导电型水凝胶，包括两性离子聚合物、植酸；所述离子导电型水凝胶为双重网络结构；两性离子单体相互聚合形成第一重网络结构；所述植酸与所述两性离子聚合物通过非共价作用形成第二重交联网络。该水凝胶的电导率最大可达2.44S/m，应变系数(GF)最高可达9.7，电导率比对照组的聚两性离子水凝胶提高两个数量级。数量级。
【技术实现步骤摘要】
一种多功能离子导电型高强韧水凝胶及其制备方法和应用
[0001]本申请涉及一种多功能离子导电型高强韧水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子水凝胶领域。
技术介绍
[0002]近年来，由于出色的机械性能和稳定性、高灵敏度和稳定的导电性能等特点，导电水凝胶在可穿戴传感器、人造肌肉和电子皮肤等领域得到了长足发展。将人体活动的机械信号转化为电信号依赖于导电水凝胶的电学性能。其中，电导率作为衡量柔性传感器电学性能的重要性质被广泛关注与研究。
[0003]根据转移介质的不同，导电水凝胶可分为电子导电水凝胶和离子导电水凝胶。前者通过在体系内掺杂导电填料(如金属纳米材料、导电碳或碳化物/氮化物纳米材料和石墨烯等)或引入导电聚合物(如聚吡咯、聚苯胺和PEDOT等)提高水凝胶的导电性能。然而，无论是填料的聚集或随机分布以及导电聚合物的硬度都会导致凝胶延展性、回复性和导电性能的下降。由于此类凝胶通过电子和空穴传输电信号，因此体系的电学行为很容易受到内部网络结构变化的影响。在承受大应变时，凝胶内部的网络结构易遭受破坏，体系失去导电能力。另一方面，将电子导电水凝胶应用于人体生理信号检测时，它们往往表现出较差的生物相容性。此外，电子导体往往是不透明的，这也为柔性和可穿戴设备的制备及使用造成障碍。离子导电水凝胶一般由三种基材组成：水、聚合物和离子导体。水凝胶内部的水可以为体系内部的离子导体传输提供可靠路径，聚合物通过化学或物理相互作用连接为三维网络结构，为水凝胶提供机械结构支撑。与电子导电水凝胶相比，由离子导电水凝胶制备而成的柔性和可穿戴设备具有更宽泛的应变检测范围，更好的导电性能，并显示出高透明度和良好的生物相容性。
[0004]尽管离子导电水凝胶已经取得很多进步与发展，但要制备具有理想机械性能(如拉伸强度、伸展性、韧性和回弹力等)和高电导率的水凝胶仍是一项挑战。迄今为止，常规的离子导电水凝胶的制备主要包括两个步骤：(1)制备传统的强韧水凝胶作为载体材料；(2)通过在高浓度盐溶液中浸泡，在水凝胶网络中加载电解质以提高材料的导电性。然而，盐溶液的浸泡会破坏强水凝胶的内部网络结构，在提高导电性能的同时，牺牲了体系的力学性能和黏附性能。另外，复杂的制备过程也会增加能源和时间成本的投入，造成大量的资源浪费。
[0005]在生物应用方面，导电水凝胶材料需要整合高导电性和良好的机械性能，使其能够长时间的与人体组织(如皮肤、肌肉、心脏或大脑)相容。此外，在实际应用场景中，还应该考虑其他重要参数，例如：导电水凝胶在用作柔性传感器时，需要贴合组织表面；在创伤性皮肤表面或术后使用时，材料需要具备抗菌性能，避免人体组织受到病原微生物的侵入与感染；需要具备一定的抗冻性能，满足材料在低温环境中应用。
[0006]因此，探索使用一种简单的、低成本且易于加工的方法来制备出与组织性能匹配且稳定的多功能导电水凝胶具有重要意义。
技术实现思路
[0007]根据本申请的第一个方面，提供了一种离子导电型水凝胶，该离子导电型高强韧水凝胶利用两性离子单体的聚合形成第一重交联网络，通过植酸的添加构筑第二重交联网络。其中第一重交联网络通过两性离子单体之间形成共价键和静电相互作用形成；第二重交联网络由植酸和两性离子聚合物形成氢键和静电相互作用构成。所选用的两性离子聚合物黏附性优异，可在不同材质表面实现黏附，具有黏附普适性；所添加的植酸在增强凝胶网络和提升黏附性能的同时，通过磷酸根的电离向体系内引入了大量的游离氢离子，赋予水凝胶优异的导电性能。
[0008]该方法得到的离子导电型高强韧水凝胶具有优异的抗菌性能，作用于伤口处可通过与细菌细胞膜相互作用破坏其结构完整性以达到抗菌目的，防止伤口的进一步损伤和细菌的侵袭，减少疼痛以及节约医疗成本。该离子导电型高强韧水凝胶各项机械性能、黏附性能、导电性能、抗菌性能和抗冻性能可通过调节植酸与两性离子结构单元的相对含量以及反应条件来进行主观调控。
[0009]导电水凝胶集合了抗菌性、自黏附性、高透光率、应力应变传感性能以及抗冻性能，可用作各种柔性可穿戴器件、伤口敷料。所述导电水凝胶以两性离子单体的聚合形成凝胶的交联网络结构。所加入的植酸一方面通过解离在凝胶内部提供可自由移动的离子赋予水凝胶优异的导电性能；另一方面，与两性离子基团及皮肤组织表面基团通过静电相互作用，增强凝胶的机械性能和黏附性能。此外，通过与细菌的相互作用杀死细菌，达到抗菌的目的；通过与水分子形成强氢键作用，赋予水凝胶优异抗冻性能。技术人员可根据实际应用场景在本申请所限定的范围内自主确定。
[0010]离子导电型高强韧水凝胶由两种功能性组分构成：第一组分为其提供优异的机械性能和自黏附特性；第二组赋予水凝胶抗菌性能、抗冻性能和导电性能。两种组分通过各种非共价键力结合以提高材料整体性能，使所制水凝胶集成导电传感、抗菌抗冻和自黏附等特性。
[0011]一种离子导电型水凝胶，包括两性离子聚合物、植酸；
[0012]所述离子导电型水凝胶为双重网络结构；
[0013]两性离子单体相互聚合形成第一重网络结构；
[0014]所述植酸与所述两性离子聚合物通过非共价作用形成第二重交联网络。
[0015]可选地，所述离子导电型水凝胶由三维网络结构和连续水相组成。
[0016]可选地，两性离子单元之间为共价键和静电相互作用。
[0017]可选地，所述两性离子聚合物与组织界面形成偶极
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偶极相互作用和氢键相互作用，以实现黏附。
[0018]可选地，所述两性离子单元在同一大分子链上同时含阳离子电荷和阴离子电荷。
[0019]可选地，所述植酸在酸性条件下解离出游离氢离子。
[0020]可选地，所述植酸与所述两性离子单元的基团形成离子键和氢键的相互作用。
[0021]可选地，所述植酸中的磷酸基团与水分子形成氢键作用。
[0022]所述植酸通过与细菌细胞膜相互作用破坏细菌结构完整性。
[0023]可选地，所述两性离子单体选自甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、3
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[[2
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(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯、2
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((3
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丙烯酰胺丙基)二甲基铵)乙酸酯、2
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甲基丙烯酰氧乙基
磷酸胆碱中的至少一种。
[0024]可选地，所述离子导电型水凝胶中的水含量为0.36～0.61。
[0025]可选地，所述两性离子聚合物在所述离子导电型水凝胶中的摩尔占比为0.67～0.95。
[0026]可选地，所述植酸在所述离子导电型水凝胶中的摩尔占比为0.04～0.33。
[0027]所述两性离子单体聚合后提供聚合物网络结构：一方面，两性离子单体在引发剂和交联剂的作用下，可以通过自由基聚合形成水凝胶的网络结构；另一方面，两性离子单元之间通过静电相互作用加强网络强度。
[0028]所述两性离子单体提供富含离子组分的环境：一方面，水凝胶本身由三维网络结构和连续水相组本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种离子导电型水凝胶，其特征在于，包括两性离子聚合物、植酸；所述离子导电型水凝胶为双重网络结构；两性离子单体相互聚合形成第一重网络结构；所述植酸与所述两性离子聚合物通过非共价作用形成第二重交联网络。2.根据权利要求1所述的离子导电型水凝胶，其特征在于，所述离子导电型水凝胶由三维网络结构和连续水相组成；优选地，两性离子单元之间为共价键和静电相互作用；优选地，所述两性离子聚合物与组织界面形成偶极
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偶极相互作用和氢键相互作用；优选地，所述两性离子单元在同一大分子链上同时含阳离子电荷和阴离子电荷；优选地，所述植酸在酸性条件下解离出游离氢离子；优选地，所述植酸与所述两性离子单元的基团形成离子键和氢键的相互作用；优选地，所述植酸中的磷酸基团与水分子形成氢键作用；优选地，所述两性离子单体选自甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、3
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(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯、2
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丙烯酰胺丙基)二甲基铵)乙酸酯、2
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甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱中的至少一种；优选地，所述离子导电型水凝胶中的水含量为0.36～0.61；优选地，所述两性离子聚合物在所述离子导电型水凝胶中的摩尔占比为0.67～0.95；优选地，所述植酸在所述离子导电型水凝胶中的摩尔占比为0.04～0.33。3.一种离子导电型水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将含有两性离子单体、植酸、引发剂、化学交联剂的混合液搅拌，得到凝胶预聚液；S2、将所述凝胶预聚液注入模具，紫外固化或加热，得到离子导电型水凝胶。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，优选地，步骤S1中，搅拌的转速不低于750r/min；步骤S1中，所述两性离子单体的浓度为2.0mol/L～4.2mol/L；优选地，步骤S1中，所述植酸的浓度为0.1mol/L～1mol/L；优选地，步骤S1中，所述引发剂包括光引发剂、热引发剂中的至少一种；优选地，步骤S1中...
【专利技术属性】
技术研发人员：王荣，左振霖，
申请(专利权)人：宁波慈溪生物医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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