研究背景

以人體為中心的表皮電子設(shè)備在疾病治療和健康管理中愈發(fā)重要，其功能組件需具備感知?jiǎng)討B(tài)和靜態(tài)刺激的能力，并擁有類似人體皮膚的柔順性和靈活性。多層傳感器設(shè)計(jì)存在諸多挑戰(zhàn)，如設(shè)備制造復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)所需柔韌性、可能導(dǎo)致佩戴不適等。使用多刺激響應(yīng)水凝膠是賦予柔性單層設(shè)備多功能性的有前景策略，但目前開發(fā)此類水凝膠仍面臨提高電子導(dǎo)電性、豐富刺激響應(yīng)、解決生物相容性、優(yōu)化制造方法等問題。現(xiàn)有皮膚電子組件在響應(yīng)多種刺激及實(shí)際應(yīng)用方面存在局限，因此開發(fā)可直接應(yīng)用于人體的多功能水凝膠組件至關(guān)重要。

研究成果

基于水凝膠的柔性電子元件已成為解決傳統(tǒng)電子設(shè)備在健康管理中剛性問題的最佳方案。在本研究中，同濟(jì)大學(xué)袁偉忠&高玉魁教授等人引入了一種多功能水凝膠，它由物理（殼聚糖、聚乙烯醇（PVA））和化學(xué)（聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺）（P(NIPAM-co-AM)））交聯(lián)形成的雙網(wǎng)絡(luò)，以及用于響應(yīng)外部刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)換填料（共晶鎵銦（EGaIn）、Ti₃C₂ MXene、聚苯胺（PANI））組合而成。它可以對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信號(hào)進(jìn)行多重傳感。基于這種水凝膠的應(yīng)變傳感器在400%的拉伸范圍內(nèi)電阻變化高達(dá)1000%，并且在觸摸時(shí)可觀察到顯著的電容變化。溫度傳感器在20-40°C時(shí)的靈敏度約為-2.9%°C^-1，在0-20°C時(shí)約為65%°C^-1。pH傳感器的響應(yīng)靈敏度接近-13.68 mV pH^-1。還可以組裝紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)來收集能量 。相關(guān)研究以“Skin-Inspired, Multifunctional, and 3D-Printable Flexible Sensor Based on Triple-Responsive Hydrogel for Signal Conversion in Skin Interface Electronics Health Management”為題發(fā)表在Small期刊上。

研究亮點(diǎn)

1. 設(shè)計(jì)并制備了一種基于三重響應(yīng)水凝膠的多功能柔性傳感器 NMAL，它能對(duì)多種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信號(hào)進(jìn)行多重傳感，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變、溫度、pH 值等多信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)。

2. 在應(yīng)變傳感方面，400% 拉伸范圍內(nèi)電阻變化高達(dá) 1000%；溫度傳感時(shí)，20-40 °C 靈敏度約為-2.9 %°C^-1，0-20 °C 靈敏度約為 65 %°C^-1；pH 傳感靈敏度接 -13.68 mV pH^-1，且具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

3. 可組裝紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)收集能量，輸出功率達(dá) 83 mW m^-2；具備可控的抗菌性能，能有效抑制有害細(xì)菌生長(zhǎng)，且細(xì)胞存活率高，生物相容性良好。

4. 具有 3D 打印特性，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，能制造出復(fù)雜形狀，提高與皮膚的貼合度和透氣性，為實(shí)際應(yīng)用提供了更多可能。

研究?jī)?nèi)容

NMAL 的制備：通過物理交聯(lián)（殼聚糖、聚乙烯醇）和化學(xué)交聯(lián)（聚（N - 異丙基丙烯酰胺 - 共 - 丙烯酰胺））構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)，并添加信號(hào)轉(zhuǎn)換填料（共晶鎵銦、Ti₃C₂ MXene、聚苯胺），經(jīng)一鍋法合成 NMAL 前驅(qū)體，再通過 3D 打印或澆鑄成型，經(jīng)紫外固化和凍融循環(huán)制備得到 NMAL。

NMAL 的形貌與機(jī)械性能：NMAL 表面有微納尺度褶皺，內(nèi)部為致密多孔結(jié)構(gòu)，利于提高柔韌性和吸水性。其機(jī)械性能優(yōu)異，拉伸比可達(dá) 480%，斷裂強(qiáng)度約為 580 kPa ，楊氏模量與人體皮膚相近，韌性良好，在低溫下也能保持柔性，展現(xiàn)出良好的生物相容性和佩戴舒適性。

NMAL 的應(yīng)變傳感能力：NMAL 傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)響應(yīng)靈敏，在不同拉伸應(yīng)變下電阻變化顯著，電容也會(huì)隨微小壓縮發(fā)生明顯改變?？捎行ПO(jiān)測(cè)人體各部位關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，為評(píng)估用戶健康狀況提供依據(jù)。

NMAL 的非應(yīng)變傳感能力：利用 PNIPAM 和 PANI 的特性，NMAL 對(duì)溫度和 pH 值變化響應(yīng)靈敏。在 pH 值 1-11 范圍內(nèi)具有 - 13.68 mV pH^-1 的檢測(cè)能力；在 0-40 °C 溫度范圍內(nèi)電阻變化明顯，能檢測(cè)人體體溫異常和環(huán)境溫度變化，還可感知附近熱或冷源。

NMAL 的能量管理能力：NMAL 的特殊表面結(jié)構(gòu)利于與常見薄膜結(jié)合，可組裝成單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過與衣物摩擦收集能量，能為儲(chǔ)能設(shè)備充電，輸出功率達(dá) 83 mW m^-2 ，可點(diǎn)亮 LED 燈泡，有助于構(gòu)建自供電可穿戴設(shè)備。

NMAL 的皮膚集成應(yīng)用：NMAL 具有良好的抗菌性能，殼聚糖和Ga³⁺等成分可抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，光熱效應(yīng)還能增強(qiáng)殺菌效果。同時(shí)，它生物相容性好，對(duì)人體細(xì)胞毒性低，能檢測(cè)表面肌電信號(hào)，在智能健身等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。