중국과학원 연구원 장월팀: 전방섬유복합겔방면에서 진전

   중국과학원 쑤저우 나노기술 및 나노시뮬레이션연구소 연구원 장웨팀은'나노마이크로 속보'(Nano-Micro Letters) 에 최신 연구 성과를 발표했다.이 연구는 전기 방적 섬유 네트워크를 하이드로겔에 내장함으로써 초박형 구조와 우수한 역학적 성능을 동시에 갖춘 복합 하이드로겔 필름(<5μm)의 구문입니다.섬유 복합 하이드로겔은 대부분의 생체 조직 및 기관의 계량과 일치하는 광범위한 조절 가능한 계량 (~5kPa에서 수십 MPa까지) 을 제공합니다.초슬림한 구조와 초유연 특성으로 전방섬유 복합 하이드로겔이 각종 거친 표면에 빈틈없이 부착될 수 있어 부착형 생체전자 부품을 구축하기에 이상적인 소재다. 

섬유 복합 하이드로겔 필름은 정전기 방사, 회전 코팅 및 동결 결합 기술을 기반으로 구축됩니다 (그림 1).정전기 방사 시간, 회전 도료 시간과 얼음 녹는 횟수를 조절하여 섬유 복합 하이드로겔 박막의 이화 성질에 대한 조절을 실현한다 (두께 5마이크로미터에서 밀리미터; 계량 수천 파스칼에서 수십 메가파스칼).예를 들어, 방사 시간을 늘리면 섬유 복합 하이드로겔 박막의 역학적 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다;회전 도료 속도를 높이면 섬유 복합 하이드로겔 박막의 두께를 낮추는 데 유리하다;융해 횟수를 증가하면 하이드로겔 자체의 양을 높일 수 있다.섬유 복합 하이드로겔은 우수한 역학적 강도를 가지고 있으며, 두께가 7마이크로미터에 불과한 하이드로겔 박막은 20g 무게의 물체를 쉽게 받칠 수 있다.또한 포장된 섬유 네트워크는 응력 집중으로 인한 균열 증가를 효과적으로 억제하고 섬유 복합 하이드로겔 필름에 우수한 찢김 방지 성능을 부여합니다 (그림 2). 

그림 1 섬유 복합 하이드로겔 설계 및 제조

그림 2 섬유 복합 하이드로겔 박막 역학적 성능

일반적인 하이드로겔 재료는 물이 빠지기 쉬운 단점이 있으며, 장기간 공기 중에 노출될 때 시스템 수분의 증발로 인해 하이드로겔 시스템이 무력화됩니다.이 연구는 섬유복합하이드로겔체계에 글리세린을 첨가하여 보수제로 함으로써 복합하이드로겔체계가 우수한 실수방지성능을 가지도록 하였다.공기 중에 노출된 지 7일이 지난 후에도 여전히 우수한 유연성을 갖추고 있다.또한 섬유 복합 하이드로겔의 전도성을 개선하기 위해 글리세린/NaCl 시스템은 섬유 복합 하이드로겔이 공기 중에 장기간 높은 전도성을 유지할 수 있도록 합니다 (그림 3).

그림 3 섬유 복합 하이드로겔 필름 내실수성

섬유복합하이드로겔박막의 초연성과 초박형의 특성에 힘입어 여러가지 부동한 거친 표면에 빈틈없이 붙일수 있으며 그 광범한 조절가능한 력학적성능은 거의 모든 생물연조직 (예를 들면 뇌, 간장, 심장, 페와 피부) 모량에 대한 완벽한 배합을 실현할수 있으며 조직에 변화를 동반하여 조직을 손상시키지 않고 변형할수 있다.플렉시블 바이오 전자 부품을 구축하는 데 이상적인 소재입니다 (그림 4). 

그림 4 섬유 복합 하이드로겔 필름의 유연성과 부착성

글리세린/NaCl 시스템을 기반으로 한 섬유 복합 하이드로겔로 구축된 부착형 바이오 전극은 상업용 젤 전극보다 우수한 노이즈 비율과 장기 사용 성능을 가지고 있다.상업용 젤라틴 전극은 장기간 (48h) 공기 중에 노출되면 물이 빠져 성능을 상실할 수 있으며, 글리세린/NaCl 체계의 섬유 복합 하이드로겔 전극은 7일 후에도 양호한 신호 잡음비를 유지하여 인체 근전신호에 대한 채집을 실현할 수 있다.글리세린/NaCl 체계의 섬유 복합 하이드로겔 전극은 인체의 근육 전기 신호를 측정하는 데 사용되며, 서로 다른 운동 자세와 서로 다른 운동 강도 근육 전기 신호에 대한 모니터링을 실현할 수 있다 (그림 5).

그림 5 섬유 복합 하이드로겔 전극은 인체 근육 전신호 모니터링에 사용된다

연구진은 전방 섬유 네트워크를 하이드로겔에 파묻음으로써 초연성, 초박형, 역학적 강화 복합 하이드로겔을 제조하는 새로운 전략을 개발했다.해당 노동자