[发明专利]一种石墨烯基导电水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯基导电水凝胶及其制备方法与应用，属于生物材料技术领域；所述制备方法包括以下步骤：将石墨烯与聚乙烯醇溶液混合均匀，得石墨烯基聚乙烯醇混合液；将壳聚糖加入石墨烯基聚乙烯醇混合液中混合均匀，随后静置水合，得石墨烯基聚乙烯醇壳聚糖混合液；将石墨烯基聚乙烯醇壳聚糖混合液冻融后浸泡在柠檬酸钠溶液中，得石墨烯基导电水凝胶。本发明提供的石墨烯基导电水凝胶具有优异的力学性能、导电性和柔韧性；因此，本发明提供的石墨烯基导电水凝胶在柔性可穿戴传感器领域，以及人机界面、电子皮肤等领域都具有广阔的应用前景；并且，本发明提供的制备方法操作简单，易于实际生产使用。

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯基导电水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

可穿戴电子设备在人造皮肤、人工智能、环境监测和医疗诊断等领域的广泛应用引起了越来越多的关注，各种传感器是可穿戴电子设备的关键组件。由刚性材料组成的传统传感器与人体皮肤无法亲密接触，从而难以实现可穿戴性导致功能性不足。因此，柔性可穿戴传感器引起了广泛研究。尽管如此，柔性可穿戴传感器在实际应用中还存在一些挑战：柔性材料的选择，更简单高效的制备方法和器件结构，以提高期间的检测灵敏度、检测限度、线性度和稳定性等性能。因此，制备出高灵敏度、稳定导电性和多功能的柔性可穿戴传感器依然是一个巨大的挑战。

水凝胶因其高柔韧性而成为柔性可穿戴设备领域最有前景的材料之一。水凝胶是通过物理或化学交联合成的含有大量水的亲水性聚合物网络。由于具有良好的柔韧性、高吸水性和生物相容性，水凝胶已经广泛应用于组织工程、生物医学和智能设备等领域。但由于缺乏导电性和足够的力学性能，水凝胶的广泛应用受到限制。导电且机械强度高的水凝胶是一类新兴的水凝胶，因其出色的柔韧性、生物相容性、延展性和与生物组织结构的相似性而受到研究者的广泛研究。导电水凝胶可以通过与导电填料复合或结合离子侧基或盐来制备。合成的导电水凝胶结合了导电材料的电子特性和水凝胶的柔韧性，从而在可穿戴设备的应用中受到广泛关注。近年来，已经制备了大量的基于导电水凝胶的柔性应变传感器。然而，获得用于可穿戴应变传感器的高强度、高灵敏度和柔韧性的导电水凝胶仍然是一个挑战。

聚乙烯醇(PVA)是合成高分子水凝胶的常用材料，具有低毒性、生物相容性、高亲水性、更易成膜能力、耐化学性和耐机械性等优良性能。关于PVA水凝胶传感器的报道很多，但同时具备柔韧性、优异的力学性能和稳定性的传感器很少。石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有高机械强度和良好的导电性。氧化石墨烯是对石墨进行苛刻的氧化剥离而制备。经氧化后，氧化石墨烯表面含氧官能团增多而使性质较石墨烯活泼，并且可以很好地分散在水溶液中。据相关文献报道，石墨烯在水溶液中分散性差，氧化石墨烯和还原氧化石墨烯通常作为导电填料与聚合物复合制备导电水凝胶。然而，由于其分子结构的缺陷氧化石墨烯表现出较差的导电性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有良好的力学性能、导电性和柔韧性的石墨烯基导电水凝胶及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种石墨烯基导电水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将石墨烯与聚乙烯醇溶液混合均匀，得石墨烯基聚乙烯醇混合液；

(2)将壳聚糖加入步骤(1)所述石墨烯基聚乙烯醇混合液中混合均匀，随后静置水合，得石墨烯基聚乙烯醇壳聚糖混合液；

(3)将步骤(2)所述石墨烯基聚乙烯醇壳聚糖混合液冻融后浸泡在柠檬酸钠溶液中，得石墨烯基导电水凝胶。