東北大學田野課題組 NML：由皮膚啟發的超強韌超分子多功能水凝膠電子皮膚用于人機交互

2023-04-16 來源：高分子科技

水凝膠柔性電子皮膚是一種新興且有發展前景的人機交互界面，具有敏感性、柔韌性、拉伸性、舒適性、生物相容性和可擴展性。因此，水凝膠電子皮膚可以使人與電子設備無縫連接，實現獨特的人機交互，在未來健康監測、個人電子設備、智能機器人、可穿戴電子設備等方面顯示出廣闊的應用前景。然而傳統水凝膠電子皮膚由于水凝膠交聯強度和機械強度較差，難以承載高強度任務，應用范圍有限。為了提高水凝膠的機械強度，可在水凝膠中引入了雙網絡、互穿聚合物網絡、異質結構或自由基共聚，但需要各種化學引發劑或苛刻的條件(酸蝕、超聲、化學引發)才能使水凝膠合成，過程復雜且不綠色。同時，基于PVA的仿生電子皮膚大多只有單一的功能特征，無法適應當前復雜場景的需求，如人機交互設備、智能康復醫療、水下加密通信等。因此，迫切需要開發一種超強韌、可回收、適用于多種復雜場景、方法簡單、環保的多功能、耐用的超分子水凝膠電子皮膚接口。

近期，東北大學醫學與生物信息工程學院田野副教授團隊開發了一種皮膚啟發的超強韌和可回收的超分子水凝膠電子皮膚PVA-Gp/TA-CaCl₂(命名為:PGC)，使用一次性物理交聯鹽析-凍融方法，沒有有毒副產物和復雜的工藝。此工作將鹽析法引入超分子自組裝體系中，調節大分子鏈在分子上的聚集纏結，從而獲得力學性能可調的水凝膠網絡。鹽析劑--β-甘油磷酸鈉(Gp)，比常用的鹽析劑(如NaCl)更有效。并通過添加單寧酸(TA)來賦予水凝膠抑菌和防紫外線等性能。最后，采用一次凍融的方法進一步提高鏈間結晶度，從而提高其機械強度。此外，添加Gp后的水凝膠的機械強度是相同質量甘油水凝膠的37倍，拉伸應力可達3.35 MPa，Gp和PVA濃度對PGC水凝膠的機械強度均有調節作用，最終能達到5.79 MPa的抗拉強度。PGC水凝膠具有超強韌性、導電性、抗菌性、防紫外性、抗溶脹性、可回收性和透光性。PGC水凝膠電子皮膚可以將皮膚的保護特性和靈活的傳感結合起來，適用于生活中的多種復雜場景。PGC水凝膠電子皮膚作為新一代電子皮膚接口，可用于精確監測日常生理活動(心電圖、微表情、關節活動、咳嗽)，實現人機交互。PGC水凝膠電子皮膚還用于水下人機交互，通過水下活動和莫爾斯電碼傳輸信息，并使用解密程序對水下/陸上信息進行加密/解密。此外，利用windows系統分析軟件，設計PGC水凝膠電子皮膚作為關節損傷患者肌力訓練的關節康復系統，動態模擬肌力變化，反饋健康狀態，實現人機交互(前端數據采集—后端分析處理)。這種多功能仿生電子皮膚將對柔性傳感、康復醫學、人機交互、機器人、VR/AR和元宇宙的未來產生重大影響。

圖1. PGC水凝膠的仿生原理以及制備流程

圖2. PGC水凝膠的性能表征

圖3. PGC水凝膠的導電以及紫外過濾性能

圖4. PGC水凝膠的抑菌性能

圖5. PGC水凝膠應用于人體運動檢測

圖6. PGC水凝膠應用于水下加密通信

圖7. PGC水凝膠應用于指關節康復訓練

該工作以“Skin-inspired ultra-tough supramolecular multifunctional hydrogel electronic skin for human-machine interaction”為題發表在國際知名期刊《Nano-Micro Letters》（影響因子23.655，文章DOI: 10.1007/s40820-023-01084-8）上。文章第一作者是東北大學醫工學院碩士研究生陳坤，通訊作者為東北大學醫工學院田野副教授，東北大學醫學與生物信息工程學院為第一/唯一通訊單位。

原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01084-8

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（責任編輯：xu）

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