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论文案例实践-基于水凝胶的多功能传感器

2021-06-19 11:04:39
作者:杭州千明

  仿人体皮肤能将各种外界刺激转换成电信号,包括应力、压力、温度和湿度等,它们在体育运动、健康监护等领域的应用前景备受关注。这些应用要求传感材料具有可拉伸性、敏感性和易于粘附于各种复杂表面的特性。水凝胶的物理性质与人体组织相似,这是因为水凝胶含有大量的水,并且在与水或生物流体接触的表面界面张力较低。其可拉伸性比肩弹性体,柔软度媲美生物膜,是未来软耐磨传感设备的良好候选材料。迄今为止,传感器研究的涵盖面已相当广泛,基于可穿戴、粘着、自愈的水凝胶和软人体运动传感器也已经得到了大量的研究和应用。然而人类皮肤上传感功能极其复杂,单功能的传感器已经无法满足生物传感需求,人造皮肤要模仿真实的人类皮肤仍然存在巨大的挑战。本文分析总结了不同种类的离子水凝胶传感器及其基本原理,着重分析了基于离子水凝胶的多功能传感器的传感机理,最后对未来的发展和应用进行展望。

  水凝胶是三维网状结构聚合物材料,通过亲水性分子之间交联形成的三维固体。水凝胶同时具有液体与固体的性质:液体性质而言,它不仅可以大量吸收水充当分散介质,还具有良好的离子传输能力;固体性质而言,顾名思义,水凝胶呈胶装,有一定的可拉伸性,通过定向设计还可以使其变得非常有韧性,拉伸范围可达到原长度的10倍以上。[1]具有动态交联聚合物网络的水凝胶有潜力成为可自愈的材料,在一定的损伤后进行自我修复,这是因为材料上的分子间的可逆共价键可以在一定条件下断裂和重组,相比于其他可修复材料,水凝胶实现自我修复的条件更简便,且时间更短。自我修复完成后,水凝胶的稳定性和强度基本与未损坏前的水凝胶相当。[2],[3]

  离子水凝胶在水凝胶的基础上,结合不同的离子来实现不同的功能。在水凝胶上增加离子基团后,可实现透明性和高灵敏性,拉伸性[4][5]也更好。更重要的是,离子的插入让水凝胶具有了自愈合和自粘附的能力,这些能力恰恰是柔性传感器所需要的功能性性质,于是用离子水凝胶制作的柔性传感器吸引了人们的关注。此外,特殊的生物分子具有特向异性,插入不同的离子可实现不同的生物识别功能,因此在生物医学[6][7]、软体机器人以及人工器官等领域的广泛应用受到越来越多的关注。

  一般来讲,具有水溶性或亲水性的高分子,通过物理交联或者化学交联,都可形成水凝胶网络。物理交联是由聚合物之间的可逆键、氢键、离子键和其他相互作用形成的,其中可逆键一般能在光、热和其他辐射断裂和重新键合;化学交联是聚合物之间的共价键,因此化学交联制备的水凝胶内部结构相对稳定。常见的合成材料有壳聚糖、海藻酸钠、角叉菜胶、透明质酸、纤维素基氢凝胶等天多糖,他们为天然高分子,一般 熊自然界中提取。还有聚丙烯酸钠、丙烯酰胺等合成高分子,合成高分子的种类相比于天然高分子更多。天然高分子具有更好的生物可降解性和生物相容性,对环境更敏感,且成本低,因此多糖多应用于药物的释放研究和高效的药物释放系统[8]。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解。

  水凝胶上拥有亲水基团和疏水基团,亲水基团朝外与水分子接触,常见的有羟基、羧基等;疏水基团则留在水凝胶的内部,彼此之间相互起排斥的作用。当外界环境的某个物理参量变化时,疏水基团的数量可能会减少,或者是基团间的排斥力增大,导致水凝胶溶胀。具体是何种机制取决于疏水基团的种类,例如乙酸盐等。[9]还有一种是渗透压变化让水凝胶吸水或排水,因此水凝胶体积将增大或减小。

  1.2刺激响应水凝胶传感器

  刺激响应性水凝胶是一种很有前途的高分子材料。这种水凝胶的吸水率取决于环境条件,例如pH值、离子强度、温度以及电场和磁场。大多数刺激水凝胶的传感变化是一种阶跃响应式的变化,当外界特定的参数不断变化到达临界状态的时候,水凝胶会产生变化。这些刺激大致可分为三类:物理,化学和生物。相变可以是溶胶-凝胶或凝胶-溶胶,这主要由水凝胶器的化学结构决定。在前一类中,非共价分子缔合导致分层结构的形成,而对于凝胶-溶胶转变的情况,水凝胶化剂之间的相互作用被破坏, 熊而分解水凝胶形成溶胶态,或者在刺激响应下与竞争性配体结合。现如今研究人员主要利用体积的增损和电阻值的变化来实现信号传导功能。刺激响应水凝胶的传感变化是循环可逆的,并且随着研究的深入,传感性能在不断提升,可逆次数也在不断增加。

  1.2.1温度响应水凝胶传感器

  温度响应水凝胶的应用相比于其他刺激响应水凝胶要广泛更多。普遍的观点认为,聚合物分子结构亲水性和疏水性的平衡之间的适当平衡是相变的必要条件。对于温度响应水凝胶,在某一温度点,水凝胶会发生溶胀或者收缩,低于此温度点膨胀的称为低临界溶液温度(LCST),反之则称为(UCST),此时水凝胶呈膨胀的状态。近期的新型材料N-乙烯基己内酰胺(PNVCL)制作的温度响应水凝胶,LCST为60℃,它亲疏水性来源于聚合物链中存在亲水酰胺基和疏水乙烯基。制作水凝胶时聚合物和溶剂分子之间会发生交联反应,产生氢键作用力。在温度降低的过程中,水分子将失去部分热量,这时PNCVL链与水之间连接的氢键更加稳固,部分亲水基团与水重新形成氢键桥梁,疏水作用减弱,亲水作用增强,因此,水凝胶的亲水性大大提高,得到较高的溶胀率。[10]、[11]

  常用的合成材料除了N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM),还有聚乙二醇、PNVCL等,与最广泛研究的温度响应性聚合物PNIPAM相比,PNVCL无毒、可生物降解、生物相容,且水解稳定。这些特性引来研究人员的关注,有望取代PNIPAM。

  图1.1 PNIPAm水凝胶在LCST下的光散射和结构示意图[12]

  1.2.2电磁场响应水凝胶传感器

  生物体中,离子的流动会跟随液体流动而产生,这就有了离子电流。放置水凝胶于离子电流当中,水凝胶会根据离子电流的变化快速响应。电响应水凝胶由包含离子基团的聚电解质网络制成,电场作用下,电场驱动的离子运动引起的渗透压差,聚电解质网络可以实现不对称的溶胀/收缩体积变化以及弯曲行为[13]。因此长期以来电场响应水凝胶被用于模拟各种生物行为,例如早先Mihoko Otake等人选用聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)(PAMPS)制作电活性水凝胶,用来模拟人工肌肉的运动,进而制造出海星形凝胶机器人[14]。又例如Daniel Morales等人将丙烯酰胺(AAm)/丙烯酸钠(NaAc)和丙烯酰胺/季铵化甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(DMAEMA Q)共聚在一起形成聚合物网络,制作出步行促动器[15]。磁场响应水凝胶则是利用了具有磁活性中心(如顺磁性)的水凝胶,如顺磁性或抗磁性种类(如金属离子、芳香族部分),它们在外部磁场的作用下形成排列的纤维结构(如图1.2)[16]。

  图1.2在强磁场作用下,分子自发排列形成纤维状

  1.2.3光响应水凝胶传感器

  光的响应在水凝胶传感器中应用也非常广泛,光固化是在凝胶构建过程中能让其更加稳固。某些特定的化合物利用光进行光交联,可让分子与分子间更好地交联在一起。此时的光响应水凝胶相当于一个光开关,当特定波长光照射到水凝胶表面的时候,水凝胶的形貌会发生变化。利用这一特性,与不同的凝胶材料结合在一起,甚至还能制作多响应的水凝胶。[17]这种类型的凝胶可用于多反应细胞相容性执行器、夹持器、开关电路元件以及抗反义凝胶,在生物材料和光电子领域具有良好的应用前景。例如,Daru Seto Bagus Anugrah等人[18]利用近红外光线(NIR)照射水凝胶来释放其中包裹的药物,这种水凝胶由降冰片烯官能化海藻酸盐(Alg-Nb)和二硒化物-四嗪(Se-Tz)聚合而成,在光照下可降解。NIR对人体危害很小,可以在3–5mm的范围深入人体组织内。当水凝胶进入人体后用NIR光照射,水凝胶会降解 熊而释放药物,将NIR敏感的吲哚菁绿(ICG)和一种药物阿霉素(DOX)掺入到水凝胶基质中可以抑制药物的释放(如图1.3)。到目前为止,光驱动的几十微米三维水凝胶微器件的制造和响应时间以秒为单位的器件制作仍然是一个挑战。

  图1.3 NIR响应藻酸盐基水凝胶的示意图

  1.2.4酸碱度响应水凝胶传感器

  酸碱度响应水凝胶根据外部环境pH的变化产生形变。选用能吸附和释放氢离子的特定离子基团与水凝胶结合在一起,便能制造出酸碱度响应的水凝胶。常用的材料为海藻酸钠,它拥有很好生物相容性的同时,对外界pH的变化也非常敏感。要制作酸碱响应水凝胶,一般需要用双交联的方法实现。溶液pH变化时,部分解离产生质子,吸附于水凝胶网络的侧基,并沿聚合物主链产生电荷。相邻离子化基团之间的静电斥力产生膨胀力, 熊而改变凝胶的流体动力体积和渗透性。由于水凝胶在此时吸附的质子增多,静电斥力也随之增大,因此体积的改变便能反应pH值的变化过程(如图1.4)。最近的研究里,Selin Sar?yer等人将海藻酸钠和卡拉胶双交联聚合在一起。pKa值为酸离解氢离子的临界pH值,海藻酸钠pKa值为3.38,卡拉胶pKa值为2。当外界pH达到海藻酸钠pKa值点,离子基团会将携带的氢离子释放,本身变为负电荷;或者会吸附在液体中游离的氢离子,带上正电。因溶液中氢离子浓度急剧的变化,水凝胶内外产生了很大的渗透压差,且海藻酸钠和卡拉胶的相互静电作用发生改变,引起溶胀现象。[8]

  图1.4 37℃下水凝胶在不同pH环境的变化(通过药物累计释放量来衡量)[10]

  1.2.5其他刺激响应水凝胶

  水凝胶还能在许多其他刺激下产生响应,这取决于水凝胶的组成成分。水凝胶浸没在含有特定化学物质的溶液下会发生溶胀或收缩行为,或者直接与水凝胶上的特定离子基团结合,促使水凝胶裂解。也可以通过间接的作用来改变水凝胶的溶胀率,例如pH和温度。最常见的是葡萄糖刺激响应水凝胶,例如Mac Kenna Nicky等人[19]就利用pH间接测量溶液葡萄糖浓度。在葡萄糖氧化酶(GOx)的作用下,葡糖糖会与液体内的氧气发生反应,产生葡萄糖酸和过氧化氢,如下:

  (1)

  葡萄糖酸存在于溶液中,使溶液的pH发生下降,水凝胶因此发生溶胀现象(如图1.5)。

  图1.5水凝胶在不同浓度葡萄糖氧化酶溶液中的溶胀率变化

  2多功能水凝胶传感器

  人体运动通常伴随着由于压力而引起的变化,例如手指弯曲,嗓音发声和心跳。伤口愈合过程受pH,盐浓度和温度的影响,这三者还控制着氧气的输送,药物输送,血管生成,细菌感染等。柔性可穿戴传感器正在成为下一代收集人体信息和周围环境数据的工具,在过去几十年中,人们将其集成在纺织品服装中,与之前的传感器相比,我们要求新一代传感器更适应人体的需求,并时时监控健康信息,达到细致入微的程度。想要达到如此目标,就需要新型传感器具有更多的传感功能和适应人体的能力。现在科学研究中大多数可穿戴设备涉及的仅仅是单一功能的传感器,许多多功能的设计依旧还只是原型,难以投入到持续的大规模生产当中。

  人们在制作水凝胶多功能传感器时,还需要考虑到实际应用。人们关注最多的还是传感器的拉伸功能和自愈功能,尽管已经有许多关于可拉伸性和良好自愈能力的研究[20][21][22],但在实际应用中仍有许多其他问题要考虑。例如,在药物递送系统的研究里,需要药物准确地停留在癌变组织附近,在考虑到精确控制药物释放的同时,还需考虑生物相容性问题,有无毒副作用,药物是否会出现暴释现象等[23]。制作多功能的同时,还有一系列的问题,如何更加适应人体,在潮湿空气中的腐蚀或短路导致稳定性和耐久性问题,水凝胶中水分的蒸发,这就需要研究者权衡其中,寻找与实际需求相适应的平衡点。

  2.1多功能水凝胶传感器实现方法

  加入离子基团后,水凝胶的导电性能得到显著的提高,达到kΩ级别[24]。不仅如此,人们努力用各种方法提升水凝胶机械性能:构建微相分离结构,多个能量牺牲网络,疏水性作用,静电相互作用和氢键相互作用[25]。在水凝胶化学聚合的基础上,非共价相互作用的引入使得水凝胶可以引入两个或多个化学基团,以可逆的方式整合在宿主水凝胶当中。

  多功能水凝胶传感器要实现多功能一般有两种方式。其一为利用水凝胶本身的拉伸性、结合离子基团后的导电性和外界环境改变时的溶胀运动等自带特性实现多种传感;第二种为将水凝胶本身作为载体,在其中加入其它传感元件或化学材料,利用自己的传感机理来实现传感功能,与第一种结合在一起后,可实现更多样化的功能。

  2.1.1结合加入物的多功能水凝胶传感器

  Chen等人[26]采用不同的物理机制来区分温度与应力的区分测量,应力通过电阻来衡量,而温度则是通过加入热致色变材料来使水凝胶表面颜色产生变化。将rGO与AMPS相结合,使得水凝胶同时拥有rGO的电子导电性和AMPS的离子导电性,拥有了极好的导电性能。对其进行拉伸、旋转等操作可以改变水凝胶的电阻,据此来测量应力的大小。不仅如此,rGO残留的带电基团、水凝胶上丙磺酸基团与水中的自由盐离子相互作用,进一步提高了水凝胶的延展性,可拉伸到300%以上,断裂伸长率为450%。至于温度,将有机可逆热致色变微胶囊作为可穿戴温度传感器的热敏材料,它由着色剂(热致变色染料)、显影剂和溶剂组成。而可逆的颜色变化则依赖于着色剂和显色剂之间的有色络合物的形成和破坏。低温下,溶剂处于固体状态时,着色剂的电子转移到显色剂形成有色络合物,原本无色的热致变色微胶囊显现颜色。温度升高后,溶剂融化并提供电子给显影剂, 熊而防止着色剂与显影剂之间的电子转移,热致变色微胶囊重新转为无色(如图2.1)。添加不同的着色剂可以调整出想要的温度。另一方面,在水凝胶外增加一层外壳可以防止水凝胶发生电气短路,在外壳保护下水也难以 熊水凝胶中蒸发出去, 熊而使其电阻值保持稳定。但由于是通过观察颜色变化来辨别温度变化,因此这里的温敏传感器相当于一个刺激响应器,无法准确监测每时每刻的温度。

  图2.1热致变色微胶囊的热致变色机理

  Zhu等人[27]将pH致色变染料和酶传感器结合在水凝胶上,来检测伤口环境下的pH和葡萄糖浓度。相比于前面提到的颜色传感机理,他们在此基础上利用数字化的方法将颜色信息进行量化, 熊而精确地得到pH和葡萄糖浓度。他们将pH指示剂染料(酚红)和两种葡萄糖敏感酶,即葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)封装在抗生物污染和生物相容性两性离子聚羧甜菜碱(PCB)水凝胶基质中。在pH4-8范围内,对pH敏感的酚红展现了明显的颜色变化(如图2.2)。随着pH值的增加,嵌入酚红和酶的PCB水凝胶圆盘的颜色由黄色变为红色。另外在磷酸缓冲盐溶液(PBS)溶液中检测酚红对pH值响应的颜色变化程度,PCB水凝胶圆盘在PBS溶液的颜色变化与在人工伤口渗出液(AWE)中时相似,这说明PCB水凝胶固定化后AWE中的蛋白质对酚红转变没有干扰。

  图2.2 PCB水凝胶在PBS溶液AWE溶液中pH变化时( 熊左到右依次增加0.5)的颜色变化

  葡萄糖则是利用酶传感器来测量。具体反应机理如下公式:

  (1)

  (2)

  通过酶的催化作用,葡萄糖在葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶的催化作用下产生可发荧光的二氯荧光素(DCF)(如图2.3)。葡萄糖浓度的测量范围为0-M,完全覆盖了人体表面伤口环境中的葡萄糖浓度范围,而且与荧光强度也显示出良好的线性拟合关系(如图2.4)。基于RGB三原色成色原理,将水凝胶的颜色转化成一个个像素位点进行颜色信息分析,利用光传感器测量光强和三原色之间的比例, 熊而具体推算出颜色与pH、荧光强度与葡萄糖浓度的关系,得到具体而明确的生物信息。需要注意的一点是,大多数基于酶的传感器容易吸引在复杂生物介质中各种蛋白质的吸附,大大降低了它们的检测灵敏度。采用两性离子聚合物能避免这些问题,这是因为两性离子聚合物由于具有超亲水性,既能通过离子溶剂化作用与水分子强结合,又能避免对酶的疏水活性位点的干扰。

  图2.3 PCB水凝胶在伤口渗出液中葡萄糖检测的原理图

  图2.4 PCB水凝胶在PBS溶液AWE溶液中葡萄糖浓度变化( 熊左到右依次为0,0.1,0.5,2,5,10M)时的颜色变化

  2.1.2特性自用的多功能水凝胶传感器

  人们研究更多的是利用水凝胶本身的特性来实现多种传感的功能,这是因为能结合进水凝胶里的传感器种类有限,可实现的传感功能不多,且需要考虑到加入物与水凝胶相互影响的问题,因此人们更多希望利用水凝胶自己的特性来实现多种传感。

  前面提到的用数字化的方式将颜色信息进行量化,这是因为颜色信息本就是一种光信息。还有一种方法则是直接利用材料发出的光波长和光强来进行数据推演。Liu等人[28]把一维光子晶体模板与水凝胶结合在一起形成温度/pH双响应水凝胶。这种水凝胶由NiPAAm、丙烯酸(AA)和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)组成。前面提到广泛应用的水溶性热响应聚合物PNiPAM的LCST约为32℃,加入共聚体丙烯酸后,水凝胶不仅能进行温敏传感,还对光子产生了强烈的响应性。结构稳定,折射率比聚合物要更高,且更容易形成均匀的薄膜。利用与这种水凝胶交替制备成pH/温度双响应1DPCs,这种结构具有有序的堆叠结构,改变复合层厚度可改变水凝胶传感器的响应能力,因此这种传感器是可控的(如图2.5)。

  图2.5(a)NiPAAm,BIS和AA的化学结构(b)传感器制造示意图,聚合物和TiO2依次旋涂形成多层一维光学堆栈。

  这里通过测量最大反射波长的变化来测量温度的变化,与此同时水凝胶的颜色会发生肉眼可见的变化。前面Zhu等人是将颜色分解为三原色利用数字解构的方式来将颜色信息转化为需要的参数,而这里则是直接利用光的波长来对参数进行量化处理,因此是连续的。随着温度的增大,水凝胶的厚度不断增加,根据布拉格-斯涅耳定律,带隙的位置也会发生红移(如图2.6a)。就pH而言,将光照射到水凝胶后,产生的反射光会因为pH环境的变化而产生折射率的改变(如图2.6b)。在pH的转变开始后,随着水凝胶与水的折射率差的减小,其峰值反射率逐渐减小。当水渗入到1DPC结构中时,由于水的存在,膨胀的水凝胶比收缩的水凝胶具有更低的折射率。但是,由于pH变化时带隙的位置也会产生一定的移动,且温度变化对峰值反射率也有影响,因此这种双响应传感器要用于同时测量pH和温度会有一定困难。

  图2.6(a)pH为4时暴露于不同温度的1DPC的反射光谱在25°C至50°C之间变化及对应温度的水凝胶颜色(b)温度为35℃时暴露于不同pH的1DPC的反射光谱在8到2之间的变化及对应pH的水凝胶颜色

  多功能传感器当中,拉伸性能也是一项重要指标,许多研究中的水凝胶拉伸性能很好,但其结构功能都较为单一;反过来,多功能水凝胶一般较于单功能的拉伸能力差很多。Zhu等人[29]提出了一种基于多个二级键的离子明胶/聚丙烯酰胺/纳米粘土水凝胶(GPNs-gel)。明胶具有两性的特性,能同时电离出氢离子和氢氧根离子,由明胶组成的水凝胶也因此具有了对pH的敏感性。聚丙烯酰胺(PAAm)与明胶在紫外光照射后,形成包括氢键和静电相互作用的多个二级键,其中以氢键为主(由–OH,–NH2基团贡献),通过物理交联形成双网络结构的水凝胶。纳米粘土含有钠离子、镁离子等,作为多功能交联剂均匀分散在水凝胶网络中,通过静电相互作用(由–O–Si和金属氧化物基团贡献)连接聚合物链, 熊而提高水凝胶的机械强度和导电性。水凝胶在空气中愈合后,可以拉伸至原长度的十倍而不断开。但在水中的愈合效率则很低,这是因为水阻碍了次级键的相互作用。

  环境pH由电阻测量。纳米粘土给水凝胶带来钠离子,相互交联的结构使得离子通道变宽,因此导电性更加良好。GPNs凝胶的电导率随pH值的增加而增加。应力的测量同样是采用电路电阻量化。溶液浓度则由溶胀度来测量。这种水凝胶浸没在浓度很高的溶液中仍能膨胀(如图2.7),这是因为溶液中的钠离子与水凝胶内的负电基团相互作用大于内外浓度差产生的渗透力。因此,根据水凝胶的溶胀度(SR),可以推算出溶液浓度。基于其良好的机械性能还可以设计出一种压力传感器(如图2.8),两个GPNs凝胶膜(作为导电层)与介电层(聚乙烯膜)集成在一起;当在两个电极之间施加电压时,凝胶层和介电层之间的界面会积累电荷。根据平行板电容器的公式(C=εS/4πkd),电容随扩展面积的增加而增加。因此,电容随着传感器的压缩而增加。由于GPNs凝胶具有强大的附着力和弹性,因此压力传感器可以动态适应高度非线性的表面,监测人体运动,例如当手指弯曲时,水凝胶电容会增加。

  图2.7不同NaCl含量(0.9-15.0 wt%)的盐溶液中GPNs凝胶的溶胀率

  图2.8(a)GPNs凝胶压力传感器的示意图(b)凝胶压力传感器对手指运动的监控(左图)及检测的实时电容信号(右图)

  事实上,水凝胶构建的电容式压力传感器,还能用作拉伸传感水凝胶。Lei等人[30]利用聚丙烯酸(PAA)将藻酸盐链与非常小的无定型碳酸钙(ACC)纳米颗粒物理交联在一起形成水凝胶,进而构建由超分子矿物水凝胶组成的离子型皮肤。藻酸盐的引入是为了提供更强的物理交联效果。需要注意的是,碳酸钙的比例不能过大(最大碳酸钙/PAA摩尔比约为1.2),否则就会出现结晶碳酸钙。将两个水凝胶膜与一个介电层(聚乙烯膜)集成在一起来构建电容式压力传感器,来自ACC的少量溶解的游离可以用作离子载体,电容在1kPa时几乎线性响应,灵敏度也比传统化学交联的PAAm水凝胶高大约三倍(灵敏度为0.17)。利用可拉伸的介电层夹在水凝胶膜之间便能将其制作成拉伸传感水凝胶,他们将可拉伸的介电层(VHB 4905、3M)夹在连接到两个金属电极的两个水凝胶层之间时,该器件将显示出电容值随拉伸应变的变化。测量拉伸传感的能力来源于横向拉伸过程中,纵向会产生压力挤压电容器,横向接触面积增大和纵向电极板间距的减小共同增大水凝胶电容。(如图2.9)

  图2.9(a)拉伸应变传感器的示意图(b)水凝胶传感器拉伸至100%应变(λ=2)时的理论预测和实时电容信号

  大多数水凝胶传感器利用水凝胶的可塑性都仅限于弯曲、旋转等,实际上,将水凝胶进行图形化处理后,可以得到复杂的水凝胶结构,在传感方面也带来启发。Shang等人[31]利用光照交联材料组成水凝胶,并进行光照图形化处理, 熊而得到具有不均匀结构的复合水凝胶,可以响应种模拟并实现多种多样的变形。不均匀性源于在光照PAA和PNIPAm进行物理交联时,不同位置光照不同时间就能使不同位置的物理交联程度不一样,甚至还可以遮挡其中一部分而光照另一部分,使得部分区域形成交联(如图2.10)。

  图2.10水凝胶图形化示意图。途径A:复合水凝胶暴露于紫外线(I)通过光掩模和(II)不具有光掩模;路线B:构建双层水凝胶,辐照区域为PNIPAm和PAA水凝胶网络,经过紫外线照射后对温度,离子强度和pH的变化具有三重响应。

  发生溶胀时,沿着厚度方向的溶胀率变化程度不一样,富含PNIPAm的顶部比缺少PNIPAm的底部产生更大的内应力,水凝胶因此弯曲。同样的,浸入盐水后,富集PNIPAm的区域收缩反应强烈,缺乏PNIPAm的区域收缩缓慢,沿着厚度不均匀的收缩导致水凝胶形貌弯曲。图形化后,水凝胶还能呈现出各种各样的形状。PAA在温度和离子强度变化时不会溶胀或收缩,而体积随pH的变化而变化。PNIPAm水凝胶起着活性水凝胶的作用,在温度和离子强度变化的刺激下分别表现出明显的体积膨胀或收缩,但对pH值变化无响应。将PAA和PNIPAm结合在一起制作成复合水凝胶可以同时响应温度、离子强度和pH。复合水凝胶在pH为11时朝着水凝胶富含PNIPAm的一侧产生了弯曲行为,该弯曲行为高于AA基团的pKa(4.25)。在PAA水凝胶内部制备了PNIPAm互穿网络后,由于PNIPAm的pH不敏感,因此PAA的pH响应性比均质PAA水凝胶下降。富集PNIPAm一侧对pH敏感性下降主要是因为PNIPAm和PAA形成的网络交联密度较大,限制了水凝胶的溶胀能力。(如图2.11)

  图2.11在pH变化前后不同图形的复合水凝胶的结构形状,其中较亮的区域为PAA/PNIPAm复合结构,较暗的区域只含PAA

  Zhao等人[32]则通过疏水性含硅单体(SiMA)与两种亲水性单体(2-甲基丙烯酸羟乙基酯、HEMA;N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羟乙基酯和甲基丙烯酸羟乙基酯)共聚制备了双响应有机硅水凝胶来检测pH和溶液种类,这种水凝胶与传统的pH传感水凝胶相反:传统的水凝胶进行pH检测时,一般在酸性环境下膨胀,在碱性收缩甚至脱落,水凝胶的溶胀率随着pH的增大而降低。然而,加入SiMA单体后,溶胀率对碱性溶液的响应性比酸性溶液更加剧烈,当SiMA单体的量达到一定程度后,水凝胶在酸性环境下甚至没有溶胀反应。加入SiMA单体后的溶胀反应行为完全转变,这可能是因为水凝胶存在多相转变机制,疏水性的有机硅与亲水性基团结合成水凝胶后,有机硅在水凝胶溶胀中起主导作用,改变水凝胶相的响应,使水凝胶的pH溶胀行为与原水凝胶完全不同。(如图2.12)

  图2.12水凝胶溶胀率与pH值的关系

  对于溶剂的检测,在加入含硅单体SiMA以前,水凝胶对疏水性强的单体没有溶胀反应,而随着硅单体SiMA含量的增多,水凝胶对疏水性较强的溶剂有更强烈的响应,浸泡在水中时反而吸收水的量减少。水凝胶在非极性溶液中膨胀,但在极性溶液中无强烈的反应,正好与传统吸水膨胀的水凝胶性质刚好相反,这种异常现象可能是P(HEMA-co-NVP)水凝胶的基质和溶剂分子溶解度的差异造成的。利用这一点我们可以用来检测溶剂的特性。随着SiMA的增多,对疏水性溶剂的敏感度也会增大。(如图2.13)

  图2.13在不同溶剂中水凝胶的溶胀率图

  2.2多功能水凝胶的制作——3D打印

  由于受传统制备工艺的限制,水凝胶只能通过模板法将其制备成二维结构或极简单的三维结构,难以形成复杂的三维结构。但是,多功能水凝胶往往需要复杂的水凝胶结构来实现传感功能。因此,于是,微尺度到宏观尺度的水凝胶图案化技术的发展对实际生产应用至关重要。对于水凝胶,在过去的几年里已经发展了几种印刷方法,如数字光处理、双光子微加工和直接墨水书写(DIW)。

  2.2.1DIW

  DIW适用于粘弹性材料,在1-250μm纤维直径范围内有很高的精度,并且能很自由地设计图样复杂的功能复合材料。三维打印技术不需要模具、模具或掩模,可以根据需要将数字设计快速转换为复杂的三维对象。设计复杂图像的能力反过来就要求打印油墨具备一些条件。 熊技术上讲,DIW是一种逐层组装的技术,要求油墨在挤压过程中作为液体流动,在印刷过程或者印刷后固化冻结。相比于其他油墨,用水凝胶作为油墨可完美契合DIW的需求。

  然而,这不是一种简单的印刷,有许多问题亟待解决。首先,疏水性或触变性的水凝胶材料在支撑槽中的挤压问题,以及印刷空心结构时,去除支架后水凝胶结构可能会倒塌;其次,有些水凝胶油墨利用与镀液材料发生反应改变其流变性能, 熊而实现快速固化,但能选择的水凝胶油墨极其有限;第三,一些刺激会诱使水凝胶快速凝固,例如紫外线固化的紫外线水凝胶照射、温敏传感器制造时温度变化等,由于油墨应保持挤出的形状,固化速度过快会让其失去与理想形状产生差异。此外,水凝胶油墨在喷口处容易凝结,导致喷嘴堵塞。其中一种解决方法是流变改性剂的开发,它们可以改变水凝胶墨水的流变特性, 熊而能够打印复杂的3D结构。

  常用的流变改性剂为Pluronic F‐127-二丙烯酸酯。Pluronic F127-DA胶束在水中的机械可逆、离解/缔合的快速响应能力使油墨在印刷过程中具有强烈的剪切减薄效应。由于紫外线交联后Pluronic F127-DA与水凝胶形成共价交联,机械强度和拉伸性能得到提高。[33]另外一种常用的流变改性剂则是纳米黏土,加入纳米黏土来提高3D打印的成功率。控制预凝胶溶液的粘度是成功打印水凝胶三维结构的关键,加入纳米黏土可以控制水凝胶溶液的粘度,这是因为纳米粘土颗粒与自身以及水凝胶的聚合物网络产生物理交联,增加预凝胶溶液的粘度。同时,纳米黏土还增加了水凝胶的剪切稀化能力。[34]

  然而,由于物理和化学交联使水凝胶结构发生改变,水凝胶难以保持原有的功能和力学性能。这就说明,制作水凝胶时需要流变改性剂的含量较低,这时水凝胶才能保持原状,同时保持高含水量。

  基于此,最新的研究中有人[35]将各种水凝胶前驱体与剪切稀化的卡波姆胶体混合制备具有各种功能的水凝胶墨水。卡波姆墨能提高打印出的水凝胶结构的机械性能,且是现有凝胶结构中含水量最高(99.5%)的胶体(如图2.14)。由于极低的流变改性剂含量和高含水量,这些墨水很少堵塞喷嘴,仅需要低压来诱导墨水流动。在与卡波姆胶混合后,水凝胶油墨具有较高的屈服应力,因此印刷出的结构能保持长期稳定,不仅如此,水凝胶还能够用来制作自支撑的中空结构。虽然混合后的复合水凝胶杨氏模量增大,但由于卡波姆胶会与水凝胶前驱体间产生联结作用,临界拉伸长度随着卡波姆胶的加入而逐渐减短,拉伸性能最好的PAAm水凝胶在加入5%卡波姆胶后临界拉伸长度已经减小了一半。

  图2.14印刷水凝胶结构图(含水量为99.5%)(a)金字塔结构(b)圆顶结构(c)空心立方体结构

  2.2.2光照固化处理

  直接墨水书写是在打印过程中边填加水凝胶材料边进行固化,靠的是水凝胶自己在空气环境中降温凝固,而光照固化处理则是利用光照来使水凝胶墨水逐层加固成为固体。这种技术的优势在于,不需要水凝胶有很高的粘度,低粘度的水凝胶同样可以 熊预溶液结构变为稳定的固体结构。由于最初打印出的共混物粘度足够低,3D打印过程中倘若需要进行图形修改,可以快速去除并重新涂履。在光照下,液体开始凝结,粘度会迅速提高几个数量级,当光聚合过程超过凝胶点,水凝胶的储存模量变得大于损失模量,材料变为固态。据此,可以制备出具有高打印分辨率和高几何复杂度的水凝胶结构。在混合溶液中,通常包括单体、交联剂在内的所有组分,以及高水溶性的光引发剂。目前最大的问题的是光引发剂的溶水性小,使得光固化的效率降低。

  光照固化处理有几种处理方式。最常使用的是利用紫外线固化处理。一般来说,紫外水凝胶3D打印是在水溶液中进行的,它包括单体、交联剂在内的所有组分,以及高水溶性的光引发剂。然而,大多数基于UV的水凝胶3D打印使用的都是非高效、水溶性差的光引发剂,想要获得清晰的前驱体溶液,就需要大量搅拌加热,有些则是与有机溶剂混合。目前用于紫外水凝胶3D打印的聚合物仅限于PEGDA和聚(N-异丙基丙烯酰胺)(pNIPAM),它们相对易碎,不足以用于需要大变形的许多应用。其中一种解决方案是合成新型快速光聚合的离子水凝胶,例如Jérémy Odent等人[36]采用丙烯酰胺单体聚合成水凝胶,其上的自由基在紫外光照射下能进行光聚合。另一种则是采用纳米颗粒作为光引发剂,例如Zhang等人[37]采用2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧膦(TPO)纳米粒子,它极易溶于水,在光照交联过后与水凝胶基团结合在一起,使其固体状态下能容纳高含量的水。

  另一种常使用的是双光子聚合(TPP)。它基于双光子吸收(TPA):一个分子中的电子同时吸收两个光子后才能进行跃迁。光敏剂作为传递能量的中间载体,光引发剂在吸收光子后生成活性基团 熊而引发水凝胶单体的连锁聚合反应。通过非线性吸收紧密聚焦的飞秒激光脉冲来启动, 熊而导致水凝胶单体在焦距内发生局部交联, 熊而产生具有高精度的三维结构。TPP引发剂的中心环大小对引发效率有着极大的影响,一般用具有大δTPA的发色团,如D-π-D结构,或者具有高引发效率的化学官能团,如UV引发剂。在TPP中,具备双光子吸收能力的光引发剂的水溶性同样是一个难题。[38]一般而言,采用的解决方案都是通过合成新型高溶解性的引发剂,例如Xing Huang等人[39]将四个羧酸钠基团引入不同的亚苄基环烷酮(环丁酮、环戊酮和环己酮)中,合成了一系列亲水性染料。苄叉环烷染料可以直接用作高效光敏剂甚至光引发剂,加入不同种类的羧酸钠基团,是为了增加它的溶水性能,并降低细胞摄取时的毒副作用。近来有研究人员尝试通过间接的方法来解决这一问题。Chenglin Zheng等人[40]利用油溶性光引发剂和光敏剂制备了含有亲水性有机溶剂的凝胶光致抗蚀剂。TPP后,将凝胶浸入去离子水中,用溶剂交换方法与水交换溶剂分子, 熊而将有机凝胶转化为水凝胶。这为合成水凝胶提供新的思路。

  还有一种处理方式是数字光处理(DLP)。它利用数字掩模投影触发局部光聚合,并能快速制造特征尺寸 熊1μm到100μm的三维水凝胶结构。此外,引入高效的材料交换机制后,多材料DLP 3D打印系统还能用来制造多材料功能结构。[41]但是,这项技术所能够用到的水凝胶材料非常有限,亟待研究人员开发,如利用系统中存在的离子相互作用的动态性和可逆性,同时利用纳米粒子显著的物理性质来增强水凝胶的物理机制。[42]这种技术常用于快速制造,有望投入量产当中。

  2.2.33D打印的应用

  如今已有一些基于3D打印技术的多功能传感器制备的报导。例如Ren等人[43]利用3D打印技术制备出由藻酸钠(SA)/聚丙烯酸钠(PAAS)/层状稀土氢氧化物(LRH)组成的多功能纳米复合水凝胶。LRH里的镧系元素离子(Eu3+和Tb3+)具有荧光特性,水凝胶通过调节LRH成分可显示出高度可调的多色光致发光,不仅如此,LRH还用作SA和PAAS的交联剂,以及水凝胶的流变改性剂。他们将这种水凝胶用作3D打印油墨,在室温下通过DIW打印技术制备出如图3.1所示的复杂结构,证明了这种水凝胶具有建构复杂结构的能力,并且印刷的构造物具有相对较高的机械强度,可以在印刷过程中保持其形状。在接触表面上制造3D微结构有助于增强水凝胶传感器的灵敏度。具有网格结构的3D打印水凝胶膜适用于构建类似皮肤的传感器,用于检测人体运动和一些复杂的肌肉运动。

  图3.1 3D打印SA/PAAS/LRH水凝胶构建的复杂结构

  打印出的复合水凝胶具有湿度响应性。室温环境中不同相对湿度下,水凝胶的拉伸性能会产生变化(如图3.2a),当环境湿度大于40%时,水凝胶的行为类似于人类皮肤,是一种柔性弹性体;当小于40%时,水凝胶表现出“硬塑料”的特性,不适合用作皮肤感测材料。除了湿度响应外,水凝胶还具有拉伸响应性,这时,LRH充当电荷载体,赋予水凝胶以应变依赖的导电性能。如图3.2b,在拉伸期间,水凝胶的横截面积的变化相应地导致电导率的变化,这意味着这种水凝胶能够将机械变形转化为电信号,可以用作传感器应用的感测材料。基于此,他们将水凝胶膜密封在VHB胶带的两层之间来检测手指的弯曲运动,两侧连接两根铜导线,图3.2c显示了在 熊0到90°的不同弯曲角度下食指弯曲的检测。

  图3.2(a)相对湿度变化的SA/PAAS/LRH水凝胶的应力-应变曲线(b)在0至2 kPa的压力下,水凝胶压力传感器的相对电容变化(c)安装在人手食指上的传感器对弯曲产生响应

  又例如Nadernezhad等人[44]将上转换纳米粒子(UCNP)和氧化铁纳米粒子(IONPs)嵌入明胶甲基丙烯酰(GelMA)水凝胶中,制备了多功能多尺度的米复合水凝胶,该凝胶具有光学和磁性响应特性。UCNP能够通过上转换过程(顺序吸收两个或多个光子,导致发出比激发波长更短的波长的光[45]), 熊而将NIR辐射转换为可见光。将IONPs细丝引入水凝胶3D矩阵会导致磁各向异性, 熊而使外部区域磁场能够控制载有IONPs颗粒的区域。他们利用3D打印制造出花状形状的结构,水凝胶在光波长为800nm和980nm激发光响应,引起能量转换过程 熊而产生UC发射光谱;当将花形状水凝胶放置在外部磁场,最初将其定位为使易磁化轴垂直于磁力线。产生的磁转矩Tm引起结构沿几何结构的垂直轴旋转(黑色虚线之间的交点),直到磁化轴与磁场线对齐为止(如图3.3)。

  图3.3 3D打印的花状水凝胶在磁场作用下的运动

  3总结与展望

  多功能水凝胶传感器的研究和应用仍处在起步阶段,但他们所拥有的拉伸性、可塑性和自愈能力,插入离子基团后的导电性以及生物相容性,使得这些材料广泛应用于生物传感测试当中。尽管如此,现如今的研究还有许多需要改进的地方,现在许多研究都已经实现多响应水凝胶,但最主要的问题还是传感功不能同时进行,也即通过一个参量来完成多响应的功能,例如Liu等人[46]利用水凝胶导电性能同时测量水凝胶拉伸力和溶液中离子浓度,假若其中一个变量不变,那这种传感器就可以用来测量另一个变量,但在实际应用中多个参量同时变化的可能性是非常大的。对多功能进行区分选择,关于此类的报道很少。

  这里提出一些可能的解决方案。例如,现有的研究[26][27]中有通过色变材料来完成多功能传感,诸如热致色变材料、酸碱度致色变材料以及特定化学物质之间的颜色反应,这些都可以应用在水凝胶当中,此时的水凝胶作为一种承载体,利用这种机制来实现传感功能,这些显色功能如果 熊肉眼来看的话仅仅是初步的pH判断,将颜色信息作为光信息或三原色信息进行处理的话可以实现量化的功能, 熊而得到具体的参数。又例如通过引入光子晶体来实现多功能传感的,Hisashi Saito等人[47]将水凝胶制备成良好有序且周期性的圆柱形多孔式结构,互连的多孔结构具有分子识别的潜力,且能对光进行调控,相当于一个可调光栅(如图3.4),由于色调主要是由材料中形成的三维精细结构所致,所以该颜色通常称为“结构色”。他们将冠状衍生物乙烯基单体4-乙烯基苯并-18-冠-6(VBC6)作为共聚单体之一,VBC6可以与钾离子形成络合物并充当带电离子基团,因此溶液中的钾离子增大会使得水凝胶体积增大;N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)作为另一个共聚单体用于组成热敏多孔凝胶,其法向的结构色变化主要取决于法向入射的溶胀率,而法向入射的溶胀率由圆柱体直径决定,因此当纵向体积发生变化时,法向的结构色不会发生变化。水凝胶此时便能够感应多种刺激并产生不同的响应。

  图3.4以最紧密堆积的二氧化硅胶体晶体作为模板制备周期性排列的互连多孔凝胶

  还可以利用酶传感器等生物体传感来实现,这些生物体传感器是针对特定物传感的,最常见的是葡萄糖酶。例如早前Pan等人[48]以苯胺为聚合单体,植酸为交联剂和掺杂剂,制备高效的葡萄糖酶传感器。他们将葡萄糖酶GOx和铂纳米粒子固定在水凝胶当中,葡萄糖在GOx酶催化剂作用下产生葡萄糖酸和过氧化氢,而铂纳米粒子则将过氧化氢快速分解产生电子,这些电子沿着水凝胶的导电骨架传播到电极表面产生电信号。将酶传感器与其他传感器结合在一起便能够实现多功能传感。需要注意的是,生物传感器最重要的特性之一就是酶固定化的稳定性,因为酶可溶于水,并且酶的长期溢出会导致响应信号快速衰减,利用三维网状结构可以帮助酶固定在水凝胶骨架(如图3.5)上。

  图3.5 3D分层微观结构的示意图

  又例如,Yang等人[49]设计了具有三态转变的可逆水凝胶,他们将β-环糊精(βCD)和二茂铁(Fc)引入水凝胶,同时引进二硫键作为水凝胶的交联键。加入还原剂如二硫苏糖醇(DTT)或谷胱甘肽(GSH)后,二硫键断开,仅在水凝胶中留下βCD-Fc交联键,而βCD-Fc相互作用保持稳定,在紫外线的照射下,还原态由于由紫外线诱导的二硫键的重建而转变为原始状态。接下来,添加氧化剂如次氯酸钠(NaClO)后,βCD-Fc相互作用被破坏,二硫键得到更新,水凝胶 熊原始状态转变为氧化状态。加入抗坏血酸(Vc)后,Fc+减少,βCD-Fc相互作用得到更新,氧化态转变为原始态。结果,水凝胶表现出三种状态:βCD-Fc相互作用,二硫键效应和通过控制氧化还原环境的双重交联。随后,水凝胶的性质响应于交联模式,并实现了水凝胶的三态转变(如图3.6)。利用三态转变时表现出的不同物理特性,即可实现溶液中存在物的测定。另外,若将图形化与三维复杂结构结合在一起[31][35],两个空间位置不同的结构发生形貌变化时不会相互影响,利用这一点可以即可实现多功能传感。这之所以有可能实现,是图形化采用的是光致交联材料,而在3D打印水凝胶时同样是用光照来固化水凝胶。

  图3.6水凝胶的三态转变示意图

  引入加入物进水凝胶的同时,还需考虑到这些加入物是可能会影响到水凝胶本身的性能的,例如显色反应产生的络合物可能会通过键合的方式插入到水凝胶当中,影响其拉伸性能。另一方面,水凝胶本身和周围环境物也可能会影响到加入物的传感灵敏度,例如用于人体的水凝胶中,溶液中会存在复杂多样的蛋白质,那么就有可能会有蛋白质与传感部位发生不可逆转结合的情况。这些就需要研究人员做对照测试。