西南交大团队制备自发荧光水凝胶,可实时反映柔性可穿戴器件失水状态
栏目:新闻中心 发布时间:2023-06-16
水凝胶来源:DeepTech深科技因对人体的运动和健康状况进行持续监测,柔性可穿戴器件近年来备受关注。水凝胶作为高含水量的软材料,在柔性可穿戴器件领域研究广泛。审稿人对研究的新颖性充分肯定,认为该研究从水凝胶基柔性可穿戴器件的实际失水问题入手,采取了新(unique novelty)的角度审视这一问题,所设计的基于簇诱导发光原理的自发荧光水凝胶可以实时反映含水量,为在不拆卸柔性可穿戴器件的情况下便
水凝胶

来源:DeepTech深科技

因对人体的运动和健康状况进行持续监测,柔性可穿戴器件近年来备受关注。水凝胶作为高含水量的软材料,在柔性可穿戴器件领域研究广泛。

审稿人对研究的新颖性充分肯定,认为该研究从水凝胶基柔性可穿戴器件的实际失水问题入手,采取了新(unique novelty)的角度审视这一问题,所设计的基于簇诱导发光原理的自发荧光水凝胶可以实时反映含水量,为在不拆卸柔性可穿戴器件的情况下便捷评估失水程度提供了可能性。

周绍兵表示:“同时,审稿人也认可了该研究的重要性,这鼓舞着我们进一步深挖自发荧光水凝胶应用背后的材料科学问题,使材料构筑策略和应用场景构建更为丰富。”

(来源:Advanced Functional Materials)

该研究的核心是利用荧光强度变化,来反映水凝胶柔性可穿戴器件的失水过程。“我们采用的设计策略为基于簇发光原理的自发荧光水凝胶柔性可穿戴器件,无需引入不易分散的荧光分子或微纳粒子,这是目前领域内研究得较少的课题。”谢辉表示。

在研究前期,研究人员设计了保湿水凝胶,研究结果表明,失水过程得到一定程度的延缓。但是,在工作状态下其水分依旧会不可避免地流失。于是,他们提出能否有一种方法可以实时地评估含水量,以便于使用者评价传感性能和及时采取措施,比如更换或重新浸泡水凝胶。

西南交大团队制备自发荧光水凝胶,可实时反映柔性可穿戴器件失水状态(来源:Advanced Functional Materials)

经过初步调研,该团队发现当前评估水凝胶的保水率时,大多需要将其从组装的传感器件中取出,操作复杂且不利于连续检测。因此,如何在长期使用过程中无损无接触地评估水凝胶失水程度便显得尤为重要。

经过不断摸索,他们最终确定了簇诱导发光的自发荧光设计原则。所制备的水凝胶在高水含量时,在紫外灯(365nm)照射时的荧光很弱。然而,水凝胶水含量下降(即失水过程中),其荧光会逐渐增强,直至完全失水。

“这种伴随水含量变化而剧烈变化的荧光信号,可以为我们指示水凝胶的失水过程。”王益雷说。

(来源:Advanced Functional Materials)

由于簇诱导发光与特定基团的聚集程度直接相关,后者又与高分子链的聚集相关,因而失水和水合过程只影响基团的聚集状态,而不会改变其化学结构。结果证实该过程可逆,理论上可多次重复进行。

考虑到保湿性已是水凝胶柔性可穿戴器件的重要考量,他们将自发荧光水凝胶进行了保湿性处理,其失水过程得到极大延缓,而最为重要的是失水过程依然可以通过荧光强度的变化反映出来。

最后,研究团队讨论了自发荧光水凝胶设计的普适性。一方面,从材料设计的角度讲,该团队提出并验证了利用簇诱导发光原理用于评估含水量的可行性。

“但我们更想指出的是,簇诱导发光水凝胶的设计不局限在我们本研究中的自由基聚合。理论上讲,海藻酸钠、纤维素等天然高分子也具有簇诱导发光的特性,可以充分利用它们的多官能团优势合理设计自发荧光水凝胶甚至实现多功能集成。”周绍兵说。

另一方面,从潜在应用的角度来看,该研究中构建的人体运动监测是其中的应用场景之一,但考虑到水凝胶在生物医用领域的广泛研究,可探索更多的与水凝胶含水量相关的应用场景。

该研究证实了水响应自发荧光策略在凝胶基柔性可穿戴器件中的可视失水监测方面的可行性,未来还将进一步夯实该策略,以设计更优性能、更多功能的水凝胶。

多年来,周绍兵团队一直聚焦于微纳医学和智能材料的研究,该研究中的自发荧光水凝胶作为基础工作,未来他们将在以下两方面深入研究:一是发展材料的高性能化,从化学结构和物理结构设计的角度优化材料,二是拓展材料的应用场景,探究其在临床中的应用价值。

“很多研究拓展和设想还需要与更多的专家学者、临床医生紧密合作,这也是我们目前正在积极推进的主要工作。”周绍兵最后说道。

参考资料:

1.Yilei Wang et al. Advanced Functional Materials(2023). https://doi.org/10.1002/adfm.202213545

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