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Nano Res.│香港城市大学吕坚/李扬扬课题组:基于生物矿物复合水凝胶的抗冻应变传感器的应用

本篇文章版权为吕坚/李扬扬等所有,未经授权禁止转载。


背景介绍


在自然界中,生物体合成含有机骨架及生物矿物(碳酸钙、磷酸钙)的结构,用作骨架或外壳等,具有机械支撑、导向、光学等功能。非晶生物矿物如非晶碳酸钙(ACC)是生物矿化中的常见前驱体,可依照生物的不同功能需求,由非晶向不同晶形转变,或保持不同比例的非晶态以获得不同的机械性能等。由有机聚合物和生物矿物制成的生物矿物复合水凝胶,被广泛应用于软体机器人及可穿戴传感器等研究领域。但常见水凝胶由于较高的含水量,一般无法在低温下保持机械性能和导电性能,限制了低温环境下的应用。


研究方法


本文采用了共沉淀方法,在PVA溶液的体系内制得接近生物体内组分的多元体系非晶生物矿物,通过加入海藻酸钠进一步调节机械性能,获得Mg-ACCP/PVA/SA矿物复合水凝胶。


成果简介


对所制得的Mg-ACCP/PVA/SA 生物矿物复合水凝胶进行了原位低温拉曼、热分析、X射线衍射、低温机械性能测试等表征,证实了其良好的抗冻性能,相对于二元碳酸钙生物矿物体系可以更长时间的保持非晶,且可在低温(-20℃)保持柔韧性。基于该材料,进一步设计、制造了的应变传感器,进行了可穿戴式传感器的演示,为可在低温环境中使用的水凝胶基的可穿戴传感器提供了新思路。


图文导读


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图1 (a) Mg-ACCP/PVA/SA 生物矿物复合水凝胶的制备流程,(b) 原位低温拉曼测试结果显示在-20oC该水凝胶仍能保持不结冰,(c) 该水凝胶可用于低温下的可穿戴式传感器,(d) 基于该水凝胶的可穿戴传感器的手指弯曲测试响应结果。


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图2 (a)多元生物矿物复合水凝胶Mg-ACCP/PVA/SA和非晶碳酸钙复合水凝胶机械性能比较, (b)Mg-ACCP/PVA/SA水凝胶的拉伸性能展示,(c)本文水凝胶的抗压性能测试,(d,e) Mg-ACCP/PVA/SA和对照组水凝胶的拉伸及压缩性能比较。


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图3 Mg-ACCP/PVA/SA 多元生物矿物复合水凝胶(制备后60天)及ACC/PVA/SA碳酸钙复合水凝胶(制备后30天)的XRD结果比较,多元生物矿物体系能够更长时间在水凝胶体系中保持非晶态。


作者简介


吕坚,香港城市大学机械工程学讲座教授,兼国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任和先进结构材料研究中心主任。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章,2018年获中国工程院光华工程科技奖。目前已取得50余项欧,美,中专利(含拓展专利),在顶尖杂志Nature(封面文章), Science, Nature Materials,Nature Communications,Science Advances,Materials Today,Advanced Materials,PRL,Acta Materialia,JMPS等SCI杂志上发表论文400余篇,引用30000余次 。

详见:http://www.cityu.edu.hk/vprt/prof-jianlu-bio.htm。


李扬扬,香港城大材料科学及工程系副教授,于北京大学化学系获学士学位,新加坡国立大学获硕士学位,美国加州大学圣地牙哥分校获博士学位。研究方向为金属基及陶瓷基材料,着重生物矿化机理、电化学材料、表面等离激元及表面增强拉曼光譜(SERS)的研究。以第一作者或通讯作者身份在Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等国际学术期刊上发表多篇论文。

详见https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/yangyang-li(29c1be7a-8d90-4c83-ad0b-690f83479235).html。


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申请人请发送个人简历至jianlu@cityu.edu.hk;yangli@cityu.edu.hk。


文章信息


Junda Shen, Peng Du, Binbin Zhou, Guobin Zhang, Xinxue Tang, Jie Pan, Bo Li, Jingyang Zhang, Jian Lu* & Yang Yang Li*. An anti-freezing biomineral hydrogel of high strain sensitivity for artificial skin applications. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4213-x..

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