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陜科大王學(xué)川教授/劉新華副教授、川大郭俊凌教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì) AFM：高機(jī)械強(qiáng)度和透明度的天然皮膚基有機(jī)水凝膠電子皮膚
2023-01-31  來源：高分子科技

  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川教授/劉新華副教授與四川大學(xué)郭俊凌教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種多功能天然皮膚基有機(jī)水凝膠電子皮膚，該電子皮膚展現(xiàn)出良好的透明度和優(yōu)異的機(jī)械性能、保濕性能、抗菌性能、溫度/濕度/應(yīng)變傳感性能、組織保護(hù)性能等多功能特性。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials上。


  電子皮膚（e-skins）在機(jī)械性能上與人體皮膚類似，被認(rèn)為是用于無創(chuàng)人機(jī)交互和可穿戴設(shè)備的理想電子裝置。為了完全模仿人類皮膚，電子皮膚應(yīng)該擁有可靠的機(jī)械性能；同時(shí)能夠抵抗外部環(huán)境變化，如熱、冷、干燥和細(xì)菌；并且能夠感知多種外部刺激，如溫度、濕度和應(yīng)變。 


圖1. NSD-Gel e-skin的示意圖


  該研究采用簡單的一鍋法，以天然皮膚為基材，并引入甜菜堿、銀納米粒子（AgNPs）、氯化鈉（NaCl）和甘油/水二元溶劑形成的混合液，以納米化方式設(shè)計(jì)了一種全新的多功能天然皮膚基有機(jī)水凝膠電子皮膚（NSD-Gel e-skin）。其中，天然皮膚主要作為NSD-Gel e-skin的骨架，提供高機(jī)械強(qiáng)度和大量結(jié)合位點(diǎn)。NaCl可有效地調(diào)節(jié)溶劑的吸收，防止天然皮膚過度腫脹。甜菜堿和AgNPs能夠有效地抑制和殺死細(xì)菌，從而賦予NSD-Gel e-skin高效的抗菌性能。二元溶劑和甜菜堿分別作為介質(zhì)和功能填料，可有效降低凍結(jié)溫度并減緩干燥速度。此外，溶劑中的Na+、H+和AgNPs賦予了NSD-Gel e-skin良好的導(dǎo)電性。


  基于上述設(shè)計(jì)原理，NSD-Gel e-skin顯示出良好的透明度以及優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保濕性、回濕性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有優(yōu)異的耐寒/耐熱性和刺激反應(yīng)特性，可以有效地感知環(huán)境溫度或濕度的變化，以及監(jiān)測人體生理/運(yùn)動(dòng)信號(hào)。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在惡劣的環(huán)境中（-196℃至100℃）也能起到組織保護(hù)作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴電子設(shè)備、人機(jī)界面和人工智能等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，為開發(fā)具有按需特性的高性能電子皮膚提供了一個(gè)重要平臺(tái)。 


圖2. NSD-Gel e-skin的抗凍性能、溫度傳感和濕度感應(yīng)特性


 圖3. NSD-Gel e-skin的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測 


圖4. NSD-Gel e-skin的細(xì)胞毒性、組織保護(hù)作用和冷熱刺激響應(yīng)性能


  相關(guān)成果以“Mechanically robust and transparent organohydrogel-based e-skin nanoengineered from natural skin”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。陜西科技大學(xué)博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)王學(xué)川教授和劉新華副教授以及四川大學(xué)郭俊凌教授。感謝國家自然科學(xué)基金（2207081675、22278257），陜西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022GY‐272），陜西省科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃項(xiàng)目（20200424），教育部“藍(lán)火計(jì)劃”（惠州）產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CXZJHZ201801）和中國博士后基金項(xiàng)目（2021M692000）對(duì)本工作的大力支持！


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202212856

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