3D printed microstructured ultra-sensitive pressure sensors based on microgel-reinforced double network hydrogels for biomechanical applications

自愈水凝胶 材料科学 3D打印 制作 可穿戴计算机 压力传感器 韧性 爬行 纳米技术 复合材料 计算机科学 高分子化学 机械工程 工程类 解剖 病理 嵌入式系统 医学 替代医学
作者
Jingxia Zheng,Guoqi Chen,Hailong Yang,Canjie Zhu,Shengnan Li,Wenquan Wang,Jiayuan Ren,Yang Cong,Xun Xu,Xinwei Wang,Jun Fu
出处
期刊:Materials horizons [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (10): 4232-4242 被引量:19
标识
DOI:10.1039/d3mh00718a
摘要

Hydrogel-based wearable flexible pressure sensors have great promise in human health and motion monitoring. However, it remains a great challenge to significantly improve the toughness, sensitivity and stability of hydrogel sensors. Here, we demonstrate the fabrication of hierarchically structured hydrogel sensors by 3D printing microgel-reinforced double network (MRDN) hydrogels to achieve both very high sensitivity and mechanical toughness. Polyelectrolyte microgels are used as building blocks, which are interpenetrated with a second network, to construct super tough hydrogels. The obtained hydrogels show a tensile strength of 1.61 MPa, and a fracture toughness of 5.08 MJ m-3 with high water content. The MRDN hydrogel precursors exhibit reversible gel-sol transitions, and serve as ideal inks for 3D printing microstructured sensor arrays with high fidelity and precision. The microstructured hydrogel sensors show an ultra-high sensitivity of 0.925 kPa-1, more than 50 times that of plain hydrogel sensors. The hydrogel sensors are assembled as an array onto a shoe-pad to monitor foot biomechanics during gaiting. Moreover, a sensor array with a well-arranged spatial distribution of sensor pixels with different microstructures and sensitivities is fabricated to track the trajectory of a crawling tortoise. Such hydrogel sensors have promising application in flexible wearable electronic devices.
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