《AM·综述》西北工业大学于海东/黄维院士：水凝胶柔性电子产品！

【摘要】

柔性电子是一个新兴的研究领域，涉及多个学科，包括但不限于物理、化学、材料科学、电子工程和生物学。然而，由于杨氏模量高、生物相容性差、响应性差等限制，柔性电子产品的广泛应用仍然受到限制。旨在克服这些缺点并促进其实际应用的创新材料是非常可取的。水凝胶是一类 3D 交联的水合聚合物网络，其卓越的材料特性使其成为下一代柔性电子产品的有希望的候选者。近日，科研人员回顾了合成先进功能水凝胶的最新方法以及基于水凝胶的柔性电子产品在各个领域的最新应用。更重要的是，科研人员讨论了水凝胶特性与器件性能之间的相关性，以更好地了解使用环境响应性水凝胶开发柔性电子产品。最后，该团队就基于水凝胶的多功能柔性电子产品的发展提出了当前挑战和未来方向的观点。

【图文解析】

1、综述介绍

图1：水凝胶的主要特性及其在柔性电子中的应用。

2、水凝胶Hydrogels的概述

水凝胶被定义为聚合物的 3D 网络，可以在其自身结构内储存和保留大量流体，称为溶胀。这种溶胀行为源于保持和维持网络结构的聚合物链的化学或物理交联。根据交联类型（物理或化学）、聚合物来源（聚合物、合成和混合）和网络结构（均聚、共聚和互穿）的类型，水凝胶可分为几类，如下图所示。

图2：水凝胶及其增强水基柔性电子器件功能的方法概述。

3、增强水凝胶功能的方法

随着人们对开发可穿戴传感器的兴趣，了解水凝胶的导电功能具有重要意义，研究者们也通过导电功能化来增添水凝胶在柔性电子产品中的价值。虽然水凝胶的高含水量使其与细胞外基质高度相似，并使其适合组织工程，但这也是其机械性能较弱的原因。通过灵活地改变交联密度和单体的选择等机械加固的方法，可解决水凝胶的强度弱的弱点。水凝胶具有自愈能力，可保持网络完整性，通过调整该性能可改变机械强度和弹性等，以供长期使用。

图3：基于聚多巴胺掺杂的PPy纳米纤维的水凝胶的导电性的图像。

4 水凝胶基柔性电子器件的应用

众所周知，水凝胶是一种常见的软材料，人们一直在努力探索聚合物水凝胶在柔性电子器件中的潜在应用。具有良好机械韧性和弹性的水凝胶已发展成为一种多功能平台，用于集成各种微器件，如可回收电路传感器、致动器晶体管和微型超级电容器，而无需额外的支撑基板。在该部分，作者详细介绍了水凝胶基柔性电子器件的应用，包括在温度、化学、应力/应变、湿度具有响应的传感器，产能储能装置，致动器、晶体管、电磁屏蔽、触摸屏、药物控释装置等领域的应用进展。

图4：用于检测伤口渗出液pH值和葡萄糖浓度的聚羧甜菜碱水凝胶敷料方案（b）智能柔性电子集成伤口敷料的结构示意图（c）自动智能绷带的示意图和概念图。

[总结]

1. 在这篇综述中，作者总结并强调了水凝胶柔性电子器件在一系列不同应用中的新进展。首先讨论了基于结构的分类和水凝胶的刺激响应性特性。此外，阐述了几个重要的方法来克服普通水凝胶作为柔性电子器件的限制。水凝胶的导电性通常很差，不可能直接在水凝胶上打印电路等。为了提高水凝胶的导电性，本课题组开发了一些方法，如加入导电填料/掺杂物，选择由导电聚合物制成的水凝胶，以及引入双网策略等。

2. 力学强度差是开发基于水凝胶的柔性电子器件的另一个关键问题。目前已经做出了一些努力来改善机械性能，例如，添加填充物/掺杂物，采用有效的能量耗散平台，使用各向异性材料，以及混合系统的实践。在实现自愈能力方面，各种方法也相应地被研究，它可以被归类为两个主要的方法，要么基于动态共价键，要么基于非共价键。此外，水凝胶对其他材料的粘附问题是由于水凝胶特性因水的蒸发而逐渐改变而产生的。

3. 水凝胶的长期水稳定性和耐环境性是对基于水凝胶的柔性电子的挑战。引入保湿剂和用弹性体封装是可用来解决粘附问题的一些潜在解决方案。有一些方法可以提高保水性，例如，使用含有更多亲水基团的大分子作为水凝胶的骨架，引入一些有机溶剂，封装水凝胶，引入盐类等。

尽管过去十年在开发基于水凝胶的柔性电子器件方面取得了重大进展，但仍存在几个挑战：

1. 水凝胶柔性电子器件的集成问题。目前，水凝胶基柔性电子器件的功能仍然是有限的，而且通常是单一的，未来的水凝胶基柔性电子器件的模式将是理想的多功能。例如，一个理想的生物电子设备应该在灵活性、适应性、生物相容性和舒适性等基本特征的基础上，整合采样、数据生成和传输、自供电和与人类及时互动等功能。所有这些功能的整合需要创造性的想法，并需要利用各种技术创新的融合。

2. 水凝胶柔性电子器件的易裁剪性和适应性，以满足不同情况下日常生活的不同需求。更多的策略应该集中在如何将水凝胶设备与生物系统相结合，包括可穿戴性或植入性。在工程方面，除了数据收集和通信的其他功能要求外，水凝胶的几何形状、长期和/或与温度有关的稳定性以及自我修复能力也应得到改善。也就是说，技术创新和协同效应的加速，包括新材料的发现、对传统材料新特性和功能的探索、材料加工的革命(如增材制造)、以及无线通信的进步(如先进的蓝牙或NFC通信)，使曾经只在科幻小说中想象的强大柔性电子产品越来越接近于我们的日常生活。

相关综述论文以题为Hydrogel-Based Flexible Electronics发表在《Advanced Materials》上。通讯作者是西北工业大学黄维院士。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202205326， i学术i科研，材料科学前沿