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        【中國科技網】取材海藻與甜菜衍生物“離子皮膚”重塑皮膚感知能力
        作者:,日期:2021-10-06

          洪恒飛 科技日報記者 江耘

          “離子皮膚”是一種模擬人類皮膚感知應力、溫度等多重功能的柔性電子器件。近年來,一系列基于彈性體和水凝膠的導電型柔性材料接連問世,但大多通過優化和提高單一性能來滿足特定的應用需求。為契合未來商業化“離子皮膚”的高要求,科研人員在研制過程中,越發注重其綜合性能的平衡和提升。

          記者9月23日從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉,該所生物醫用高分子材料團隊陳靜博士等研究人員通過選擇海藻酸鹽、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)為制備原料,發展了一類集超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一身的離子導電水凝膠材料。相關研究論文不久前以封面文章形式發表于國際知名期刊《材料化學》。

        “離子皮膚”概念圖(中科院寧波材料所供圖)

          離子電信號傳輸 應變/溫度雙重傳感

          皮膚本身即人體的傳感器,當受到外界機械力刺激后,會將刺激轉變成電信號,然后通過神經元傳入大腦皮層,從而使人體獲得感知能力。因此,建立起相似且敏感的信號傳導機制是離子皮膚材料得以應用的前提。

          陳靜等人首先利用鈣離子絡合作用構建多糖網絡骨架,保證凝膠材料具有一定的力學強度,再通過原位引發SBMA和HEMA共聚,在多糖網絡中構建完全基于非共價作用的半互穿網絡結構。

          陳靜解釋道,海藻酸鈣骨架網絡保證了材料的力學剛性,而通過非共價交聯作用構建的半互穿網絡又賦予了凝膠一定的力學韌性和擠出打印性,讓材料在宏觀上的單軸拉伸率可達1000%,此外,鏈間多種非共價作用可大大抑制多糖結晶微區生成,凝膠高度透明,其可見光透過率高達97%以上,粘附性聚兩性離子的存在使得材料具有普適粘附性,其中對豬皮的粘附強度能達到14 kPa。

          陳靜告訴記者,這些優點大大提升了這種新型水凝膠材料的綜合性能表現,與目前導電水凝膠用于柔性傳感材料研究相比優勢明顯。通過在多糖網絡中引入富電性兩性離子聚合物鏈為離子電信號傳輸提供通道,該水凝膠的電導率可達0.39 S/m,這與常見的鋰離子導電材料不相上下。

          陳靜等人開發的離子導電水凝膠材料(中科院寧波材料所供圖)

          實驗過程中,科研人員拉伸或壓縮該材料時,材料的離子導電網絡發生形變,宏觀上表現出材料的電阻變化率隨應變發生快速響應,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,可滿足傳感器件的使用需求。該材料在長達10000次的循環壓縮測試中,表現出較為穩定的信號傳感能力。

          陳靜向記者介紹道,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。通過測量,經封裝的這一水凝膠材料在2~40℃和40~70℃兩個溫度范圍內,具有良好的線性響應規律,其溫度傳感靈敏度分別為0.69%/℃和2.39%/℃,與現有大多數柔性導電材料相比顯著提升。

          多重信號采集 建立智能監測新模態

          皮膚大面積缺損或者截肢手術,往往給患者造成感知能力喪失。幫助患者重建皮膚感知功能,是醫學上一個待解決的痛點。另外,多重信號同步采集有助于臨床醫生對病人的關鍵多重生理信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系,為臨床診斷和治療提供詳實的數據基礎。

          為此,陳靜等人嘗試將該離子導電水凝膠材料制備成簡易的傳感器件,實現對人體行為動作的捕捉,并且賦予假肢力和溫度雙重感知的能力。

          陳靜介紹,得益于這一新型水凝膠材料優異的綜合性能和高靈敏應變/溫度雙重傳感功能,我們嘗試將其用于多模態生理信號采集,實現了人體腦電、眼動和額前溫度等關鍵信號的實時、同步、持續地采集,且與商用導電膏相比,具有一致的信號記錄效果。

          經過研究人員對該水凝膠的組分、網絡結構和鏈間相互作用的精心設計,該材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,在柔性穿戴式健康監測系統、仿生機器人、多模態生理電信號同步和持續采集等多個方面展現出重要的應用潛力。

          “該水凝膠材料完全基于非共價相互作用,在流變學上展現出優異的可3D打印性,也將為未來實現柔性傳感器件的規?;圃齑蛳禄A?!标愳o認為,目前而言,“離子皮膚”材料的發展和真正商業化應用仍有很長的路要走,例如,在實現信號無線傳輸,體內生理信號監測,多功能器件集成等方面仍需要不斷努力。

         ?。ㄔ陌l布于2021年9月27日中國科技網)

          【原文鏈接】http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-09/27/content_1222576.shtml

         

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