隨著軟體機器人、人機交互和可穿戴電子設備等的快速發展，與真實皮膚模量接近且具有傳感功能的仿生電子皮膚也引起了廣泛關注。但電子設備通常基於電子導電，而生物系統以離子導電為主，兩者之間的資訊無法共亯。囙此，近幾年，基於離子導電的離子皮膚隨之興起。然而，開發穩定耐用、靈敏度高的離子皮膚依然存在巨大的挑戰。
近期，寧波資料所朱錦、張若愚團隊開創性地合成了一種新型的銨基陽離子擴鏈劑，並通過與4,4'-亞甲基雙（异氰酸苯酯）、聚（丙二醇）雙（2-氨基丙基醚）聚合，得到了具有自修復功能的離子型聚氨酯（i-PU）。進一步，受陽離子通道蛋白（Piezo 2）的啟發，他們利用目標i-PU與離子液體（ILs，[EMIM]+[TFSI]–）優异的相容性，製備了PU/IL介電層，並將其用於離子皮膚（I-Skin）的構建。該離子皮膚具有壓力範圍寬（0-120 kPa），響應速度快（32 ms），抗疲勞性優异（1000次迴圈僅衰减2%），靈敏度高（52.4 kPa-1）等優勢。該研究以題為“A Self-Healing and Ionic Liquid Affiliative Polyurethane toward a Piezo 2 Protein Inspired Ionic Skin”的論文發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。
【源於通道蛋白Piezo 2的設計】
在這項研究工作中，該人工離子皮膚的工作機制與人體Merkel細胞中通道蛋白（Piezo 2）受外界壓力，離子平衡被破壞的響應機制極其相似（如圖1所示）。在刺激前，Piezo 2的通道是關閉的，細胞膜內外的電位保持平衡；當施加機械刺激時，細胞膜產生張力使通道打開，細胞外陽離子被擠入細胞內，離子平衡被打破，產生電化學訊號，該訊號通過神經元傳遞到大腦，人體感覺到觸覺。與此類似，在靜態狀態下，i-PU鏈上的陽離子與IL通過靜電相互作用結合，當施加外界壓力時，與分子主鏈結合較弱的陽離子被擠出，資料表面離子濃度發生變化，從而將機械訊號轉換為電化學信號。
圖1.類比Merkel細胞中通道蛋白Piezo 2和用於人工離子皮膚的PU-3/IL複合物在外界壓力作用下離子平衡破壞的示意圖。
【人工離子皮膚的構築】
在合成銨基陽離子擴鏈劑的基礎上，作者考慮到軟段和硬段的比例對力學性能的影響，以及IL的洩露問題（需要增强PU鏈與離子液體之間的靜電相互作用來解决），最終選擇力學性能優异且離子遷移性好的PU-3/IL-30%來構築人工離子皮膚。其中，通過接觸角、密度泛函理論（DFT）、拉曼等表徵手段進行了i-PU與IL之間的靜電相互作用。
圖2.不同軟段、硬段比例i-PU的合成及表徵。
【人工離子皮膚的效能】
鑒於i-PU鏈與離子之間的靜電相互作用和相互擴散，該人工離子皮膚具有優异的自修復效能（如圖3）。一方面，溫度越高，自修複速率越快；另一方面，硬段所占比例越少，自修複速率越快。其中，PU-3可在室溫下400 min內實現完全自癒合。除此之外，通過齒形微結構的構築，該離子皮膚還具有寬的壓力響應範圍以及極高的靈敏度（如圖4），可用於人體脈搏、運動等不同應變的檢測（如圖5）。
圖3.PU-3的自修復機理、自修復速度及自修復程度表徵。
圖4.基於PU-3/IL離子皮膚的示意圖、響應壓力範圍及靈敏度。
圖5.人體運動過程中各類訊號的檢測。
總結：作者合成了一種新型的銨基陽離子擴鏈劑，並以此為基礎製備了一系列的離子型聚氨酯（i-PU）。受到陽離子通道蛋白（Piezo 2）離子傳輸機制的啟發，通過結合離子液體（IL），該資料可以用於自修復、高靈敏度仿生離子皮膚的構建。
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106341