“離子皮膚”是一種基於離子電傳導機制來類比人類皮膚感知應力、溫度等多重功能的柔性電子器件。這一新材料概念一經提出便引起了科學家們廣泛的研究興趣,發展出一系列基於彈性體和水凝膠的導電型柔性資料,在柔性電子學所涉及的穿戴式健康監測系統、人機交互介面、智慧軟機器人等多個領域,展現出誘人的商業化應用前景。當前離子皮膚資料的發展日新月异,它們分別在拉伸性、導電性、自愈合性、透明性、粘附性等關鍵效能方面,可以滿足特定的應用需求。然而,當前資料大多注重單一效能的提高和優化,其綜合效能表現與未來商業化離子皮膚的高要求相比,仍有不小的差距,也是現時制約該領域發展的瓶頸問題。
近日,中國科學院寧波資料科技與工程研究所生物醫用高分子材料團隊陳靜副研究員等科研人員通過精心設計水凝膠的組分、網絡結構和鏈間相互作用,發展了一類集超拉伸、高透明、自粘附、可3D列印、生物相容等多功能於一身的離子導電水凝膠資料。該資料具備和人類皮膚相仿的離子電傳導能力和應力/溫度雙重傳感功能,在穿戴式健康監測、仿生機器人、多模態生理電信號同步採集等方面展現出重要的應用潜力。
作者選擇海藻酸鹽、兩性離子單體磺酸甜菜堿甲基丙烯酸酯(SBMA)和親水單體甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)為製備原料,它們均具有優异的生物相容性。首先利用鈣離子絡合作用構建多糖網絡骨架,保證凝膠具有一定的力學强度,再通過原位引發SBMA和HEMA共聚,在多糖網絡中構建完全基於非共價作用(靜電力、氫鍵)的半互穿網絡結構。所得水凝膠資料在宏觀上表現出超高拉伸性(975%)、高透明性(96.2%)、普適粘附性、可3D列印性(圖1)。富電性兩性離子聚合物鏈的存在為電荷傳遞提供了通道,使得該水凝膠具有良好的離子電信號傳輸能力,其電導率可達0.39 S/m。在外應力(拉伸或壓縮)作用下,離子導電網絡發生形變,宏觀上即表現出資料的電阻變化率隨應變發生快速回應,其拉伸和壓縮模式下的應力傳感靈敏度最高可分別達3.26和7.34(圖2a,b),且資料在長達10000次的迴圈壓縮測試中,表現出較為穩定的訊號傳感能力(圖2c)。此外,溫度也會影響離子導電網絡的微觀結構,水凝膠的電導率隨溫度上升而逐漸提高。該文首次嘗試對柔性導電資料進行寬幅溫度(2~70℃)下的高解析度(數據點間隔為1/60℃)線性升溫/降溫(1℃/min)掃描,並同步記錄資料的電阻變化率(圖2d)。結果發現,經封裝的水凝膠資料在2~40℃和40~70℃兩個溫度範圍內,具有良好的線性響應規律,其溫度傳感靈敏度(定義為(ΔR/R0)/ΔT)分別為0.69%/℃和2.39%/℃,與現有大多數柔性導電資料相比顯著提升(圖2e)。得益於水凝膠資料優异的綜合效能和高靈敏應變/溫度雙重傳感功能,該團隊和運動康復與醫用機器人科技團隊施長城副研究員等人合作,進一步嘗試將其用於多模態生理訊號採集。該資料可實时、同步、持續地採集人體腦電、眼動和額前溫度等關鍵訊號,且與商用導電膏(羧甲基纖維素水膠體)相比,具有一致的訊號記錄效果(圖3)。這一實踐有助於臨床醫生(尤其是精神科和心理科醫生)對病人的關鍵多重生理訊號進行同步且持續地監測和分析,進而建立人體精神狀態的生理變化指征關係,為臨床診斷和治療提供詳實的數據基礎。
該工作以“Ultrastretchable,Highly Transparent,Self-Adhesive,and 3D-Printable Ionic Hydrogels for Multimode Tactical Sensing”為題,發表於材料化學領域知名期刊Chem.Mater.,2021,33,6731-6742,並以封面文章形式予以報導。中科院寧波資料所和寧波大學聯合培養的韋華碩士為論文的第一作者,陳靜副研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金(51803227)、寧波市科技創新2025重大專項(2019B10063)、醫用植介入資料浙江省工程研究中心、浙江省生物醫學資料科技與應用國際科技合作基地等的資助。
圖1水凝膠的宏觀效能表現
圖2水凝膠的電阻變化率隨應力(a-c)和溫度(d,e)變化的規律
圖3水凝膠用於多模態生理訊號採集
以上內容來源於【中國科學院寧波資料科技與工程研究所】官網:http://www.nimte.ac.cn/news/progress/202109/t20210916_6203501.html
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