Development of Gluten-Based Hydrogel with Enhanced Stretchability, Adhesion, Self-Healing, and Conductivity for Wearable Healthcare Monitoring Systems

Abstract

웨어러블 센서용 전도성 하이드로젤은 의료 모니터링, 로봇 공학 및 인공 지능 분야의 잠재적 응용 분야로 인해 큰 관심을 받고 있습니다. 하이드로젤은 접착 특성, 생체 적합성, 내구성, 높은 정확도를 갖춰야 합니다. 이 연구에서는 글루텐을 주 폴리머로, 글리세롤을 가소제로, 탄닌산을 가교제로, PEDOT:PSS를 전도성 필러로 사용하여 전도성, 신축성, 자가 접착성, 자가 치유성을 갖춘 웨어러블 센서를 개발했습니다. 50% 변형에서 0.61의 낮은 히스테리시스를 보이는 전기적 성능과 700 사이클 동안 ΔR/R0의 변화가 ~16%에 불과한 뛰어난 안정성을 유지하면서 31.44kPa의 강도 및 465.5%의 연신율로 향상된 기계적 특성을 구현하는 조성을 최적화한 결과입니다. 가역적인 동적 결합과 수소 결합을 통해 하이드로젤을 반으로 자른 후 20시간이 지난 후 103.46%의 인성을 회복하는 놀라운 자가 치유력을 보여주었습니다. 또한 하이드로젤을 센서로 적용했을 때 습도 변화, 움직임, 심지어 심박수와 같은 미세한 신호까지 효과적으로 감지했습니다. 이 연구는 웨어러블 전자기기에 대한 유망하고 비용 효율적이며 친환경적인 접근 방식을 보여줬다고 생각합니다.|Conductive hydrogels for wearable sensors have gained significant interest due to the potential applications in healthcare monitoring, robotics, and artificial intelligence. Hydrogels must possess adhesive properties, biocompatibility, durability, and high accuracy. In this study, we developed a conductive, stretchable, self-adhesive, and self-healing wearable sensor by employing gluten as the primary polymer, glycerol as a plasticizer, tannic acid as a crosslinker, and PEDOT:PSS as the conductive filler. We optimized the composition that yielded enhanced mechanical properties, with a strength of 31.44 kPa and elongation of 465.5%, without compromising electrical performance that show low hysteresis 0.61 at 50% strain and great stability over 700 cycles with only ~16% change in ΔR/R0. Through reversible dynamic and hydrogen bonds, the hydrogel exhibited remarkable self-healing, with a toughness recovery of 103.46% after allowing the hydrogel 20 hours to heal following a cut in half. Additionally, when applied as a sensor, the hydrogel effectively detected signals from changes in humidity, movement, and even subtle signals like heart rate. We believe this work demonstrates a promising, cost-effective, and eco-friendly approach to wearable electronics.