Hofmeister效应辅助的蛋白质基水凝胶应变传感器

doi:10.7503/cjcu20210191

摘要/Abstract

摘要：

以酪蛋白酸钠和明胶为原料, 通过简单的在硫酸铵溶液中浸泡的方法, 借助Hofmeister效应制备了一种强韧导电的酪蛋白酸钠/明胶水凝胶, 克服了蛋白质基水凝胶柔软、易碎的问题. 测试结果表明, 该水凝胶具有优异的机械性能, 最大拉伸应力为3.55 MPa, 最大拉伸应变为1375%; 水凝胶的最大电导率为0.0954 S/cm, 导电灵敏因子为0.53. 用该水凝胶制备的传感器对不同大小及不同速率的应变均具有分辨能力, 能够监测人体不同部位的运动, 且传感器的信号传输具有稳定性和准确性, 表明该水凝胶是监测人体健康和运动的理想材料. 该水凝胶还具有良好的形状记忆性能. 这一策略为制备全天然蛋白质基水凝胶开辟了新的思路, 扩展了水凝胶在生物医学和电子传感等相关领域的应用前景.

关键词: 水凝胶, 明胶, 酪蛋白酸钠, Hofmeister效应, 应变传感器

Abstract:

Natural protein-based hydrogels have been widely studied in recent years because of their good biocompatibility. However， the preparation of natural protein-based hydrogels with excellent toughness and electrical conductivity remains a challenging problem. Using sodium caseinate and gelatin as raw materials， a kind of natural protein-based hydrogel was prepared through Hofmeister effect by soaking in ammonium sulfate solution. The soaking method overcomed the weakness of soft and fragile protein-based hydrogel. The test results showed that the hydrogel had excellent mechanical properties. The maximum tensile stress of hydrogel was 3.55 MPa， and the maximum tensile strain was 1375 %. The maximum conductivity of the hydrogel was 0.0954 S/cm， and the conductivity sensitivity factor was 0.53. The hydrogel sensor had distinguishing ability for different strains， and can monitor the movement of different parts of human body. The hyderogel sensor showed accuracy and stability in the signal transmission process， which makes the hydrogel an ideal material for monitoring human health and movement. In addition， the hydrogel showed good shape-memory performance. This strategy opens up a new field of vision for the preparation of strong conductive hydrogels， and expands the application prospect of hydrogels in biomedical and electronic sensing fields.

Key words: Hydrogel, Gelatin, Sodium casein, Hofmeister effect, Strain sensor

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 8

Scheme 1 Mechanism diagram of SC/Gel protein?based conductive hydrogels

Fig.1 Tensile curves of SC/Gel hydrogels and their corresponding modulus and toughness(A, B) Tensile stress?strain curves(A) and elastic modulus and toughness(B) of SC/Gel hydrogels with different mass ratios of SC/Gel; (C, D) tensile stress?strain curves(C) and elastic modulus and toughness(D) of SC/Gel hydrogels soaked in (NH4)2SO4 solution with different concentrations. The inset demonstrated the erlarged versions of the tensile stress strain curves, elastic modulus and toughness of S5G15?A25, S5G15?A15 and S5G15?A20 hydrogels. (D) a. S5G15?A10, b. S5G15?A15, c. S5G15?A20, d. S5G15?A25, e. S5G15?A30, f.S5G15?A35.

Fig.2 Excellent mechanical strength of S5G15?A25 hydrogel(A) Stretching; (B) loading demonstration; (C) stabbing and corresponding recovery; (D) cutting with scissors and corresponding recovery.

Fig.3 Changes of dynamic storage modulus(G′) and loss modulus(G″) with strain(A) and frequency(B) of SC/Gel hydrogel before and after socking

Fig.4 Conductivity of S5G15?Az hydrogel with (NH4)2SO4 concentrations vavied from 10% to 35%a. S5G15?A10; b. S5G15?A15; c. S5G15?A20;d. S5G15?A25; e. S5G15?A30; f. S5G15?A35.

Fig.5 Tensile sensing of S5G15?A25 hydrogel(A) Relative resistance changes of S5G15?A25 hydrogel under various tensile strains(0—500%); (B) relative resistance changes of S5G15?A25 hydrogel during repeated stretching under strain; (C) relative resistance variation of S5G15?A25 hydrogel sensor upon stretching to 50% at different tensile speed.

Fig.6 Human strain sensing by S5G15?A25 hydrogel sensor(A) Relative variations in resistance of S5G15?A25 hydrogel sensors when bent fingers at different angles(0°, 30°, 60°, and 90°); (B) relative resistance change curves of S5G15?A25 hydrogel on wrist at different bending speeds, respectively; (C) variation of the resistance of S5G15?A25 hydrogel sensors during knee?bending; (D) written with S5G15?A25 hydrogel as a touch screen pen. The insets demonstrated the states of the hydrogels that adhered on finger, wrist and knee during bending.

Fig.7 Shape?memory display of S5G15?A25 hydrogel(A) Shape memory process of hydrogels; (B) hydrogel shape memory recovery curve.

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