【儀表網 研發快訊】在當今科技蓬勃發展的時代，可穿戴電子設備的應用愈發廣泛，其中應用于個人康復訓練和醫療健康監測的柔性傳感器備受關注。近日，四川大學機械工程學院何亮團隊在這一領域取得研究進展，相關成果以“Synergistic enhancement of hole-bridge structure and molecular-crowding effect in multifunctional eutectic hydrogel strain/pressure sensor for personal rehabilitation training”為題在Advanced Functional Materials期刊上發表，第一作者為機械工程學院22級博士生王文武。
 

　　隨著物聯網技術的進步，柔性可穿戴電子產品在人體運動監測、工業機器人、仿生設備、康復醫療設備等領域大顯身手。在運動醫學范疇，每年全球因運動導致的軟組織損傷，促使大量膝蓋或肘部相關手術開展，術后患者往往需要歷經3-6個月的長期康復訓練，這給患者帶來經濟與心理的雙重負擔。因此，基于個性化醫療的居家個人康復訓練和醫療健康監測成為緩解患者負擔、優化醫療資源配置的關鍵策略。
 

　　導電水凝膠憑借良好的離子電導性、易于集成以及與生物組織的相似性，成為柔性傳感器的理想材料。要開發出兼具高導電性、高靈敏度、高可靠穩定性，且具備抗菌性和生物相容性的水凝膠，并將其應用于多功能、高性能的柔性可穿戴應變/壓力傳感器，仍是一項極具挑戰性的任務。傳統導電水凝膠基柔性傳感器存在導電性和靈敏度欠佳的問題，難以捕捉人體細微動作，限制了其在個人康復訓練和醫療健康監測中的應用。同時，提高水凝膠的導電性和靈敏度面臨諸多難題，如導電納米填料的團聚問題，現有提高靈敏度的策略存在制作工藝復雜、成本高昂等弊端。此外，水凝膠在耐久性方面也存在不足，包括機械穩定性和環境耐受性，開發滿足要求的水凝膠傳感器迫在眉睫。
 

　　圖1.基于孔橋結構和分子擁擠效應的協同策略應用于高靈敏度共晶水凝膠應變/壓力傳感器的示意圖，具有優異的電導率、增強的機械穩定性和環境耐受性、近紅外誘導的光熱抗菌性和出色的傳感性能

 

　　為攻克上述難題，何亮團隊提出了一種基于孔橋結構和分子擁擠效應的協同策略，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器。該水凝膠以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇(PVA)為聚合物網絡，摻雜自組裝的MXene基納米異質結構，并通過冷凍-解凍循環和溶劑置換法引入分子擁擠劑(DES)。這種共晶水凝膠呈現出獨特的孔橋形態，M@C網絡在孔壁上作為導電橋，賦予水凝膠卓越的導電性和傳感性能。同時，DES作為分子擁擠劑，增強了水凝膠的機械穩定性和環境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸發。
 

　　圖2.開發的PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復訓練中的傳感應用，當安裝在人體不同關節時輸出信號

 

　　PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復訓練和醫療健康監測領域具有廣泛的應用前景。將其固定在人體不同部位，可精準監測多種運動，如喉嚨處能感知聲帶振動，手指、頸部、手腕、肘部、膝蓋等部位的運動也能被準確監測，還可用于記錄康復訓練過程中的心電圖(ECG)信號。基于其優異的光熱性能，該傳感器能為手術后遺癥(如關節疼痛或關節炎)提供按需光熱治療。經NIR誘導光熱治療后，能有效促進局部血液循環，減輕疼痛和關節僵硬，提升相關運動的傳感性能。
 

　　此項研究成功制備出多功能PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器，有效解決了導電聚合物水凝膠基多功能應變/壓力傳感器開發中的關鍵難題。該傳感器卓越的綜合性能，為未來可穿戴智能設備集成無線傳輸模塊奠定了堅實基礎，在個人康復訓練和醫療健康監測領域展現出巨大潛力。隨著技術的持續進步，有望進一步優化傳感器性能，拓展其在更多醫療場景中的應用，為人們的健康福祉貢獻更多力量。