【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】仿生離子皮膚在可穿戴電子設(shè)備、智能醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，然而賦予合成材料與皮膚相似的力學(xué)特性和功能，包括靈敏感知力、正交各向異性、非線性力學(xué)響應(yīng)和自愈能力仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。受皮膚組織結(jié)構(gòu)(即交織的剛性膠原纖維嵌入柔軟的彈性蛋白基質(zhì)中)的啟發(fā)，一種可行的方法是將軟基質(zhì)與剛性骨架復(fù)合在一起。然而，由于兩種材料模量和伸長(zhǎng)率的差異，復(fù)合材料在變形過(guò)程中容易發(fā)生剝離和分層，從而影響其穩(wěn)定性和使用壽命。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，化學(xué)研究所極端環(huán)境高分子材料院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃偉課題組通過(guò)直寫3D打印，制備了具有特定結(jié)構(gòu)的剛性骨架，與柔軟的離子凝膠復(fù)合后，成功得到一種具有皮膚各項(xiàng)力學(xué)特征和功能的仿生離子皮膚。其中，剛性骨架樹(shù)脂由巰基單體、丙烯酸酯、堿或堿性可聚合單體催化劑、甲基丙烯酸酯、光引發(fā)劑、納米填料組成；離子凝膠樹(shù)脂則由丙烯酸酯、離子液體、光引發(fā)劑組成。材料制備過(guò)程中，首先將具有優(yōu)異觸變性的光固化樹(shù)脂應(yīng)用于直寫3D打印，制備具有特定結(jié)構(gòu)的剛性骨架。室溫避光條件下，樹(shù)脂中的丙烯酸酯單體和巰基單體在堿催化下發(fā)生巰基-邁克爾加成反應(yīng)得到剛性骨架的第一網(wǎng)絡(luò)，而甲基丙烯酸酯單體由于電子云密度以及空間位阻較大導(dǎo)致其室溫下未參與反應(yīng)；之后，在剛性骨架中灌注離子凝膠樹(shù)脂，剛性骨架中剩余的甲基丙烯酸酯單體與澆注的離子凝膠樹(shù)脂采用光固化的方式進(jìn)行共固化，得到剛性骨架-離子凝膠復(fù)合材料。
該“軟”“硬”結(jié)合的復(fù)合材料不但實(shí)現(xiàn)了與人體皮膚相似的力學(xué)各向異性和非線性力學(xué)響應(yīng)，也通過(guò)剛性骨架和離子凝膠樹(shù)脂的共固化形成強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，解決骨架材料和基體材料界面結(jié)合性能差的問(wèn)題。此外，由于骨架和基體之間巨大的模量差異所產(chǎn)生的抗裂紋生長(zhǎng)能力以及材料的自愈合特性確保了仿生離子皮膚的抗疲勞和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
該工作以“Bionic Artificial Skin Based on Self-Healable Ionogel Composites with Tailored Mechanics and Robust Interfaces”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上(https://doi.org/10.1002/adma.202405776)。文章第一作者是博士生張曼雯，通訊作者是化學(xué)所黃偉研究員和于然副研究員。
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