聂双喜教授《AFM》：可自修复的纤维素水凝胶用于自供电汗液传感

原创材料科学与工程材料科学与工程

汗液传感器作为一种新兴可穿戴健康设备，可通过检测汗液中生物标志物对人体健康状态进行非侵入性的实时监控。传统检测方法（如电化学法等）虽已被广泛研究，但往往会受到外加供电设备和复杂制备工艺等缺陷的限制，因此需要研发一种新的检测机理克服这些问题。

近日，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组使用具有快速自修复性的纤维素基水凝胶（CPPH）作为电极材料，制备了新型柔性自供电汗液传感器。通过由聚苯胺（PANI）原位聚合于TEMPO氧化纳米纤维素（TOCNF）上而成的TOCNF/PANI纳米复合物与分子链上同样富含大量羟基的PVA作为水凝胶骨架，由硼砂交联，制成了具有无需外界刺激即可快速自修复和高拉伸性的导电水凝胶（CPPH）电极材料。将其应用于柔性可穿戴CPPH汗液传感器，基于摩擦电效应，通过人体运动时产生的周期性生物力学振动以及离子选择性膜（ISM）对特定离子的选择性透过分别对汗液中钠、钾和钙离子浓度进行传感检测。将传感信号无线传送至手机端，可以方便的实时观测运动过程中个体健康状况并及时预警。这项成果以题为“Stretchable Triboelectric Self-Powered SweatSensor Fabricated from Self-Healing Nanocellulose Hydrogels”发表在最新一期《Advanced Functional Materials》期刊上。

论文连接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202201846

图1. 纤维素基导电水凝胶应用于自供电汗液传感。（a）人体运动过程中，汗液传感器实时监控汗液中的离子浓度。（b）CPPH汗液传感器放置于人体皮肤汗腺上，对钠、钾和钙离子分别进行传感检测。（c）单一CPPH汗液传感模块的结构示意图。（d）CPPH电极材料及其微观结构示意图。

图2. CPPH的制备、结构及表征。（a）CPPH的制备过程。（b）苯胺在TOCNF分子上原位聚合为聚苯胺的反应过程示意图。（c）未被包裹的TOCNF和（d）被PANI包裹的TOCNF的TEM图像和样品图。（e）TOCNF、TOCNF/PANI和CPPH-0.75的FTIR光谱图。TOCNF/PANI的（f）氮元素和（g）碳元素的XPS谱图。（h）为EIS测试不同纤维素含量水凝胶的阻抗曲线。

图3. CPPH的自修复、流变及拉伸性能表征。（a）CPPH-0.75断裂自修复的实物图。（b）在10 s内，CPPH-0.75从断裂到自修复完成过程的光学显微镜成像图。（c）CPPH自修复及拉伸的机理。（d）不同纤维素含量的CPPH的线性粘弹区。（e）CPPH的储能模量（G’）和损耗模量（G’’）与角频率相关的曲线。（f）CPPH-0.75连续阶跃应变测试。（g）CPPH的拉伸应力应变曲线及其自修复后的曲线变化。（h））CPPH-0.75多次自修复后的拉伸应力应变曲线。（i）CPPH-TENG短路电流密度比较及其自修复后电流密度变化。

图4. CPPH自供电汗液传感器的工作机理及性能检测。（a）离子选择性膜选择性透过特定离子的机理图。（b）钠离子选择性膜表面钠离子分布密度的SEM能谱图。（c）单电极模式CPPH自供电汗液传感器工作机理。（d）钠、（e）钾和（f）钙离子CPPH汗液传感器对不同离子浓度的电流比拟合。嵌入图分别为对三种离子的电流密度检测数据。（g）钠、钾和钙离子CPPH传感器对其相应离子的选择性检测。（h）钠离子CPPH汗液传感器的信号稳定性检测。

图5. CPPH汗液传感器的实时检测及无线实时传感应用。（a）贴附于大臂上的CPPH汗液传感器实时检测的示意图。实验员运动30分钟内钠、钾和钙离子CPPH汗液传感器的（b）电流密度和（c）电流比曲线。（d）通过无线信号，将CPPH汗液传感器所检测信号与手机端应用连接的示意图。（e）实验员在跑步过程中进行实时无线传感测试图。（f）对汗液中钠离子含量进行实时无线传感监测曲线（电流信号经由电流放大器转化为电压）。

综上所述，研究者采用纳米纤维素复合物对PVA水凝胶进行了强化，得到无需外界刺激下10 s内的快速自修复性、高拉伸性（1530%）和高导电性（0.6 S m^-1）的优异性能。将其作为电极材料，制备成以摩擦电效应为机理的新型自供电汗液传感器，能够实时、连续地对汗液中的钠、钾和钙离子浓度原位检测，并具有全柔性、高灵敏度（钠离子：0.039 mM^-1；钾离子：0.082 mM^-1；钙离子：0.069 mM^-1）、高选择性和高稳定性的优势。这款基于自修复纳米的纳米纤维素基水凝胶电极的可拉伸摩擦电自供电汗液传感器被认为是一种汗液成分感知新策略，拥有适用于人体健康和可穿戴人工智能的广泛的应用潜力。

聂双喜教授课题组博士后招聘及博士、硕士研究生招生信息

一、课题组信息

王双飞院士团队聂双喜教授带领的“先进木质纤维材料”课题组由8位青年教师组成，其中教授1位、副教授4位、讲师3位，博士生导师4位、硕士生导师8位。课题组近三年在木质纤维摩擦起电性能及先进功能材料开发方面取得了一系列进展，为先进木质纤维材料基础研究成果走向应用提供了科学支撑。课题组带头人聂双喜教授主持在研国家自然科学基金面上项目和地区基金、广西自然科学基金重点项目；以第一/通讯作者在Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等SCI期刊上发表高水平论文50余篇，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇；长期担任Advanced Materials、Advanced Energy Materials、AdvancedFunctional Materials、ACS Nano、NanoEnergy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale等知名期刊审稿人；共获授权发明专利27件，其中5项技术已产业化，转让到校总经费387.34万元；曾获得国家技术发明奖二等奖、教育部技术发明奖一等奖、教育部-霍英东青年教师奖、广西青年科技奖、广西创新争先奖。

二、课题组研究方向

1. 木质纤维材料摩擦起电性能调控

2. 木质纤维基先进功能材料

3. 木质纤维基自供电器件

三、课题组长期岗位招聘与招生信息

1. 岗位：博士后；招聘名额：不限；工作内容：专职从事木质纤维先进材料基础研究，聘期为2年。

2. 岗位：博士研究生；名额：3-4位/年。

3. 岗位：硕士研究生；名额：30-40位/年，其中学位硕士15-20位，专业硕士15-20位。

四、博士后应聘条件

1. 已经获得轻工、化工、化学、材料等相关专业博士学位（3年以内），或即将获得博士学位的应届博士研究生；

2. 在相关或相近研究领域已取得一定的研究成果（至少第一作者发表2篇JCR一区SCI论文）

3. 遵纪守法，身心健康，具有良好的思想品德和团队合作精神，具有较强的科学研究能力和较大的学术发展潜力,能够独立开展相关领域的前沿研究。

4. 全脱产博士后，年龄不超过35周岁人事档案转入本校。

五、薪酬福利待遇及科研资助

1. 学校自主招收的全脱产博士后年薪为税前不低于21万元，其中学校每年发放15万元，合作导师每年发放不低于6万元。

2. 按有关规定为全脱产博士后缴纳社会保险或购买商业保险。

3. 为全脱产博士后提供24个月的学校公租住房，免租金。

4. 全脱产博士后的子女入学、入园与我校事业编制教职工子女入学、入园一样享受我校优质的中小幼教育资源。

5. 学校为自主招收的全脱产博士后提供10万元科研启动经费。

六、申请流程

1. 个人申请。应聘者联系合作导师，初步达成合作意向后，将应聘材料发送至拟进流动站邮箱。应聘材料主要包括：个人简历及证明身份、科研成果的佐证材料。

2. 进站考核。流动站审核后组织应聘者参加进站考核，考核通过后报学校审批。

3. 进站审批。校内审批手续办理完毕后，由应聘者个人登录“中国博士后”网站，注册个人信息并按要求提交进站材料，学校系统审核后报全国博管委审批，通过后办理进站手续。

4. 签订合同。博士后进站手续办理完毕后，由校人力资源处与其签订博士后工作协议。

七、联系人

联系人：聂老师

邮箱地址：nieshuangxi@gxu.edu.cn

地址：广西南宁市大学东路100号广西大学轻工与食品工程学院411室

*感谢论文作者团队对本文的大力支持

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。

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