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廣西大學林寶鳳團隊 ACS AMI:具有抗菌抗氧化和紫外線防護功能的電子皮膚用于濕度/汗液傳感
2022-12-24  來源:高分子科技

  近年來,受人體皮膚或動物皮膚啟發(fā),仿生電子皮膚(e-skins)在人機交互、人工智能、可穿戴傳感器件和醫(yī)療健康監(jiān)測等應用中已被廣泛探索和研究。多數(shù)電子皮膚具有感官功能或者表現(xiàn)出獨特的性能,然而用于制備它們的原材料可能有毒或有害、導電填料和聚合物之間可能存在兼容性較差等問題。有毒物質(zhì)的使用可以通過皮膚的接觸危害人類的健康,因此,天然生物聚合物(如天然多糖、蛋白質(zhì)等)在電子皮膚的應用中成為生物相容性導體的重要組成部分,但是其成膜材料機械性能和阻水性能較差。此外,多數(shù)電子皮膚產(chǎn)品不具備紫外防護和抗菌功能,它們在使用或穿戴的過程中,紫外線的輻射和人體汗液滋生的細菌對人體皮膚和健康造成了危害。


  針對上述問題,近日,廣西大學林寶鳳教授團隊采用綠色的原位還原法設(shè)計和制備了一種電子皮膚,用于濕度/汗液傳感器和可穿戴器件應用(圖1)。該研究選用無毒無害的天然成分香草醛(Vanillin作為交聯(lián)劑和還原劑,AgNO3為銀源,聚乙烯醇(PVA羧甲基淀粉(CMS為穩(wěn)定劑和封端劑制備銀納米復合材料。PVA可顯著改善CMS的機械性能和阻隔性能。Vanillin具有抗菌抗氧化活性,并具有一定的金屬銀還原能力、避免了有毒化學試劑的使用,因其結(jié)構(gòu)含有的醛基和酚羥基能夠吸收紫外線使其可以抵御紫外線的輻射。復合基質(zhì)中基于氫鍵作用和配位作用的交聯(lián)網(wǎng)絡有利于AgNPsAgNWs的穩(wěn)定。其機械性能得到了改善(拉伸強度為30.95MPa,斷裂伸長率為101.9%,楊氏模量為10.62MPa。在不同的濕度環(huán)境下可在60 s內(nèi)表現(xiàn)出對濕度的響應(圖2),93% RH的濕度環(huán)境下對應變具有0~140%的響應范圍(圖3,并且能夠記錄一些人體關(guān)節(jié)運動(如手指彎曲、手腕彎曲、手肘彎曲)人體皮膚出汗的電信號(圖4這種電子皮膚具有良好的機械性能,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌抗氧化活性,并具有出色的紫外線防護性能,為可穿戴電子皮膚的設(shè)計提供了一條更綠色、有前景的參考思路和策略。


a電子皮膚的制備流程示意圖;(b)原位還原反應和交聯(lián)網(wǎng)絡示意圖;(c)紫外防護和抗菌抗氧化示意圖;(d)可穿戴電子器件應用;(eAgNPsAgNWsTEM圖像 


a)不同濕度下連接LED燈的發(fā)光情況;在60 s內(nèi)對濕度的響應:(b)(c)(d)從低相對濕度到高相對濕度時電流隨時間的變化;(e)(f)(g)從高相對濕度到低相對濕度時電流隨時間的變化 


a)不同濕度下的應力-應變曲線;(b)不同濕度下的電流-應變曲線;(c)(d)(e)(f)在拉伸過程中不同濕度時的電流曲線變化 


4 人體關(guān)節(jié)的運動電阻信號和電流信號:(a)(d)手指彎曲90°;(b)(e)手腕彎曲;(c)(f)手肘彎曲;(g)出汗時的電流信號記錄;(h)不同溫度時的電阻;(i)紫外-可見光光譜曲線


  該工作以“Humidity-/Sweat-Sensitive Electronic Skin with Antibacterial, Antioxidation, and Ultraviolet-Proof Functions Constructed by a Cross-Linked Network”為題發(fā)表在ACS Applied Materials& Interfaces雜志上。論文的通訊作者為廣西大學化學化工學院林寶鳳教授,第一作者為碩士研究生溫麗珊。該研究得到國家自然科學基金(5186300122175045)和廣西自然科學基金重點項目(2021GXNSFDA220005)的支持。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c15876 

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