[发明专利]一种自愈合导电水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自愈合导电水凝胶及其制备方法与应用，该水凝胶以疏水改性聚丙烯酰胺为水凝胶基体，小分子表面改性银纳米线和葡聚糖为添加物，通过一步法原位合成得到，按重量分数计，疏水改性聚丙烯酰胺76‑107份，葡聚糖4‑14份，小分子表面改性银纳米线0.2‑1份，所述小分子表面改性银纳米线为小分子有机物N，N‑双丙烯酰胱胺表面改性的银纳米线。将所述自愈合导电水凝胶的两端连接上导线并封装即可制成自愈合导电水凝胶传感器。本发明可实现简单高效制备导电、高强度和自愈合水凝胶，在断裂后实现自愈合并且可恢复导电性和传感性。

技术领域

本发明属于水凝胶技术领域，具体涉及一种自愈合导电水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，随着人工智能和新材料的发展，基于仿生皮肤的可穿戴自愈合水凝胶传感器将外界刺激(力、光、热、湿度等)转化为电信号，从而实现人机交互应用。为了实现水凝胶传感器的多功能应用，除了必需的力学强度、导电性、传感性和生物相容性之外，还需要在损伤后能够实现自修复以延长其使用寿命和功能。一般来说，聚合物水凝胶的自愈合性质来自于聚合物链间的动态共价键和非共价相互作用，特别是非共价相互作用，包括氢键、主客体相互作用、疏水缔合和金属配位等。多数情况下，多个非共价键可以在单独或组合情况下形成许多牺牲键来耗散能量，被认为更有利于实现自愈合和构建超强的能量耗散系统。然而，大多数自愈性水凝胶基质不能直接满足可穿戴传感器的要求，难以兼顾机械强度和自愈性能。

CN110698693A公开了一种聚丙烯酰胺(PAM)和乙酸化聚乙烯醇(PVAA)互穿网络水凝胶前驱体，之后利用乙酰乙酸与三价铁离子得螯合作用，同时实现导电性和自愈合性能，但该水凝胶强度为0.3MPa，断裂伸长率为500％，不能满足高性能水凝胶传感器的使用要求。CN110183688A公开了一种物理和化学双交联的纳米纤维素-碳纳米管/聚丙烯酰胺导电水凝胶柔性传感器，其中共价交联的聚合物维持水凝胶的基本形状和力学性能，通过可逆的金属配体反应实现自愈合性能，弥补了传统水凝胶无自愈合性和机械性能差的缺点，但其导电性不高，仅为0.42S/m。为此，制备具有高导电性能并兼顾自愈合性和高强度的水凝胶成为一个亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术中水凝胶及其制备的传感器存在机械强度低、导电性差、自愈合性能低以及生物相容性差等技术问题，本发明的目的是解决上述问题，提供一种自愈合导电水凝胶及其制备方法与应用，可实现简单高效制备导电、高强度和自愈合水凝胶，在断裂后实现自愈合并且可恢复导电性和传感性。

为达到上述目的，本发明的思路如下：通过引入多重自愈合机理，赋予水凝胶优异的自愈合性质。首先，采用疏水改性聚丙烯酰胺作为水凝胶主体材料，赋予基体自愈合性。其次，以小分子有机物N，N-双丙烯酰胱胺表面改性的银纳米线和葡聚糖作为添加物：通过采用小分子有机物表面改性银纳米线，N，N-双丙烯酰胱胺作为银纳米线和疏水改性聚丙烯酰胺基体间的桥梁，一方面可以改善刚性银纳米线在聚合物基体中的分散性问题以及机械性能不稳定问题，增加水凝胶的强度和导电性，另一方面，N，N-双丙烯酰胱胺分子中的二硫键断裂后与银纳米线形成的动态Ag-S键在近红外光激发下实现可逆连接，可赋予聚合物基体和银纳米线间的自愈合性能；通过引入生物相容的大分子葡聚糖，可改善水凝胶的生物相容性，葡聚糖分子中的大量羟基和聚合物基体形成氢键作用，不仅可提高复合凝胶机械强度，同时可逆氢键的形成赋予水凝胶又一重自愈合性质。如图1所示，氢键作用、疏水相互作用和可逆Ag-S键三者的协同，可使得水凝胶可展现出优异的力学、传感性能及自愈合性能。

本发明提供的一种自愈合导电水凝胶，该水凝胶以疏水改性聚丙烯酰胺为水凝胶基体，小分子表面改性银纳米线和葡聚糖为添加物，通过一步法原位合成得到，按重量份数计，疏水改性聚丙烯酰胺76-107份，葡聚糖4-14份，小分子表面改性银纳米线0.2-1份，所述小分子表面改性银纳米线为小分子有机物N，N-双丙烯酰胱胺表面改性的银纳米线。