Flexibele draagbare druksensoren, met hun uitstekende reactievermogen en aanpassingsvermogen aan complexe gebogen oppervlakken, worden veel gebruikt bij gezondheidsmonitoring en slimme gezondheidszorg. Traditionele druksensoren, beperkt door de homogene structuur van hun materialen, worstelen echter om zowel hoge gevoeligheid als een breed drukdetectiebereik tegelijkertijd te bereiken. Gradiënt-gestructureerde ionische geleidende hydrogels bieden een oplossing voor deze uitdaging, maar het bouwen van dergelijke hydrogels met behulp van eenvoudige methoden blijft moeilijk.
Een onderzoeksteam van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, de Chinese Academy of Sciences, heeft een eenvoudige en effectieve strategie ontwikkeld voor het construeren van modulus-gradiënt ionische geleidende hydrogels op basis van het interactiemechanisme tussen fytinezuur en polymeren. Deze hydrogels worden gebruikt om hoogwaardige druksensoren te bouwen. De sensoren vertonen een breder drukdetectiebereik, superieure detectiemogelijkheden op de lage druk en een hogere algemene gevoeligheid, waardoor zwakke drukken effectief worden geïdentificeerd veroorzaakt door geluidsgolven en luchtstroom, matige drukken van spreek- en vingerpresseren en hogere grootte van plantaire druk.
Het team onderzocht de interactie tussen fytinezuur en de hydrogelmatrix en ontdekte verschillende interactiemodi tussen fytinezuur en verschillende polymeren. In polyacrylamide/fytinezuurhydrogels werkt fytinezuur als een weekmaker in het polyacrylamidetwerk, waardoor de mobiliteit van polyacrylamidemoleculaire ketens wordt verhoogd en de modulus van de hydrogel wordt verminderd. In polyacrylzuur/fytinezuurhydrogels bevordert fytinezuur microfase -scheiding van polyacrylzuur, waardoor de mechanische eigenschappen van de hydrogel worden verbeterd. Op basis van deze mechanistische inzichten gebruikte het team een pre-polymer-oplossing gietmethode om een ionische geleidende hydrogeldruksensor te construeren met een gradiëntmodulus door verschillende fytinezuur-polymeerhydrogels te integreren.
Het onderzoek toont aan dat deze sensor zowel hoge gevoeligheid als een breed drukdetectiebereik bereikt. In de gradiënthydrogel, het polyacrylamide/fytinezuurgebied, rijk aan kunststofeffecten, en het polyacrylzuur/fytinezuurgebied, rijk aan microfase-scheiding, bieden de druksensor respectievelijk de druksensor met uitstekende lagedrukdetectiemogelijkheden en hogedrukrespons. De hydrogelsensor kan gevoelig reageren op geluidsgolven van verschillende frequenties en amplitudes zonder contact en kan specifiek en reproduceerbaar geluiden herkennen. Bovendien kan de sensor zwakke luchtstromen met snelheden detecteren zo laag als 0. 2 m/s. Bovendien kan het gevoelig detecteren en reageren op fysiologische signalen zoals puls- en spiertrillingen, evenals vingerpersen met hogere druk.
Uit de studie bleek dat het assembleren van deze sensor in een draadloze plantaire sensing-array de detectie van hogedruk-plantaire drukverdelingen mogelijk maakt, waardoor continue en stabiele reacties worden geboden op verschillende statische staande houdingen en veranderingen in plantaire druk tijdens het lopen. Bovendien schenkt fytinezuur de hydrogel met uitstekende antibacteriële eigenschappen en biocompatibiliteit, waardoor de basis wordt gelegd voor de toepassing van druksensoren in het biomedische veld.