石墨烯及其“变身”在凝胶中的多元应用

石墨烯是由单层sp2杂化的碳原子构成的具有零带隙半导体特性的蜂窝状晶格二维材料，其具有极低的电阻和良好的化学物理稳定性，广泛用于复合材料中的导电介质成分。然而，石墨烯本身的疏水性以及片层间较强的范德华力导致其在水体系中的分散性非常差，因而在凝胶溶液中石墨烯往往会发生严重的团聚现象。尽管目前可以通过使用表面接枝改性、乳化、添加助分散剂等方法改善石墨烯的水体系分散性，但这些方式往往会破坏凝胶内部的非共价键网络或增加石墨烯本身的渗透阈。

还原氧化石墨烯（rGO）是将氧化石墨烯（GO）进行化学还原而得到的一种具有与完美石墨烯性质相似的一类二维材料，其同样具备优良的导电性，并且具有制备过程温和、工艺廉价等优势，在对导电性能要求不苛刻的传感领域广为人们所使用。本章中，我们采用较为绿色的碱热还原法，通过一步法对GO的PVA溶液进行直接还原，制备得到具有高分散性的rGO/PVA溶液。

生物电是生命体的一种基本生理现象，能够反映机体各项基础生理指标，在临床医学测量中被广泛使用。生物医用电极作为核心的测量部件，具有将生物电信号进行放大、采集、传导等作用，然而生物电信号通常较弱（10-4-10-6V），在绝大多数情况下需要使用多个电极来同时进行电位采集和分析。因此一般要求电极具有良好且稳定的导电性能，以获得较好的信噪比，同时由于电极要与人体皮肤直接接触，因此还要求具有较低的接触电阻，并且需要无毒无害。

本章中所制备的PVA/rGO-Gly凝胶具有优异的导电性，且所用原料PVA、甘油、rGO等均具有临床安全性，此外PVA/rGO-Gly凝胶具备良好的抗剪切性能，能够减少由于运动而引起的震动干扰问题，因此是一种理想的医学电极候选材料。

基于PVA/rGO-Gly凝胶的温度响应性和电阻响应性，我们结合3D打印技术制备出具有各向异性检测性能的可穿戴柔性应变传感器。我们将PVA/rGO-Gly凝胶装填在外部具有电热夹套的注射器内，当调整电热夹套为85oC时，此时凝胶处于粘性流体状态，因此可以在螺杆泵的推动下由针头挤出，进而在三轴平台的控制下打印出预设的图案。值得注意的是，由于凝胶具有亲水性，因此打印基底需要选择较为亲水的材料以获得与PVA/rGO-Gly更好的粘附力，保证打印图案的品质。故在PDMS薄膜上打印时，基底需预先进行O3等离子处理增加亲水性。

渗透压驱动的植物运动过程的启发，采用多层级结构设计的思想，实现了铜/液态金属复合物（CuGaIn）复杂结构的4D打印。CuGaIn的形变过程主要由双层打印单元（“二级结构”）在各向异性收缩作用下所实现与调控；而各向异性的收缩作用又源自于Cu/EGaIn/水三元体系中独特的弹性聚集体“三级结构”。相关研究成果可为金属4D打印提供全新思路。

为了适应自然环境，植物进化出了如卷须、花朵、树叶、藤蔓等能够进行形状变化的组织器官，其可以通过接受外部物理、化学信号的刺激，改变特定位置细胞的渗透压来实现局部的膨胀或收缩，从而实现植物的“运动”。与之类似，一些材料在特定条件下也会产生自发的形变，它们在智能纺织品、智能机器人、生物医疗、组织工程等领域中均有潜在的应用。

近年来，科学家们采用形变记忆合金、形状记忆聚合物、液晶弹性体或是可溶胀水凝胶等材料，并结合3D打印技术，开发出形状、性质或功能动态可变的结构，这一过程也被称作4D打印。与此同时，4D打印过程中的形变触发条件也在早期热和溶剂的基础上，增加了电、磁、pH、光以及生物信号等。

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