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宁波材料所在离子皮肤关键材料方面取得新进展
作者:,日期:2021-09-20

  “离子皮肤”是一种基于离子电传导机制来模拟人类皮肤感知应力、温度等多重功能的柔性电子器件。这一新材料概念一经提出便引起了科学家们广泛的研究兴趣,发展出一系列基于弹性体和水凝胶的导电型柔性材料,在柔性电子学所涉及的穿戴式健康监测系统、人机交互界面、智能软机器人等多个领域,展现出诱人的商业化应用前景。当前离子皮肤材料的发展日新月异,它们分别在拉伸性、导电性、自愈合性、透明性、粘附性等关键性能方面,可以满足特定的应用需求。然而,当前材料大多注重单一性能的提高和优化,其综合性能表现与未来商业化离子皮肤的高要求相比,仍有不小的差距,也是目前制约该领域发展的瓶颈问题。

  近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物医用高分子材料团队陈静副研究员等科研人员通过精心设计水凝胶的组分、网络结构和链间相互作用,发展了一类集超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一身的离子导电水凝胶材料。该材料具备和人类皮肤相仿的离子电传导能力和应力/温度双重传感功能,在穿戴式健康监测、仿生机器人、多模态生理电信号同步采集等方面展现出重要的应用潜力。

  作者选择海藻酸盐、两性离子单体磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)和亲水单体甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为制备原料,它们均具有优异的生物相容性。首先利用钙离子络合作用构建多糖网络骨架,保证凝胶具有一定的力学强度,再通过原位引发SBMA和HEMA共聚,在多糖网络中构建完全基于非共价作用(静电力、氢键)的半互穿网络结构。所得水凝胶材料在宏观上表现出超高拉伸性(975%)、高透明性(96.2%)、普适粘附性、可3D打印性(图1)。富电性两性离子聚合物链的存在为电荷传递提供了通道,使得该水凝胶具有良好的离子电信号传输能力,其电导率可达0.39 S/m。在外应力(拉伸或压缩)作用下,离子导电网络发生形变,宏观上即表现出材料的电阻变化率随应变发生快速响应,其拉伸和压缩模式下的应力传感灵敏度最高可分别达3.26和7.34(图2a,b),且材料在长达10000次的循环压缩测试中,表现出较为稳定的信号传感能力(图2c)。此外,温度也会影响离子导电网络的微观结构,水凝胶的电导率随温度上升而逐渐提高。该文首次尝试对柔性导电材料进行宽幅温度(2~70 ℃)下的高分辨率(数据点间隔为1/60 ℃)线性升温/降温(1 ℃/min)扫描,并同步记录材料的电阻变化率(图2d)。结果发现,经封装的水凝胶材料在2~40 ℃和40~70 ℃两个温度范围内,具有良好的线性响应规律,其温度传感灵敏度(定义为(ΔR/R0)/ΔT)分别为0.69%/℃和2.39%/℃,与现有大多数柔性导电材料相比显著提升(图2e)。得益于水凝胶材料优异的综合性能和高灵敏应变/温度双重传感功能,该团队和运动康复与医用机器人技术团队施长城副研究员等人合作,进一步尝试将其用于多模态生理信号采集。该材料可实时、同步、持续地采集人体脑电、眼动和额前温度等关键信号,且与商用导电膏(羧甲基纤维素水胶体)相比,具有一致的信号记录效果(图3)。这一实践有助于临床医生(尤其是精神科和心理科医生)对病人的关键多重生理信号进行同步且持续地监测和分析,进而建立人体精神状态的生理变化指征关系,为临床诊断和治疗提供详实的数据基础。

  该工作以“Ultrastretchable, Highly Transparent, Self-Adhesive, and 3D-Printable Ionic Hydrogels for Multimode Tactical Sensing”为题,发表于材料化学领域知名期刊Chem. Mater., 2021, 33, 6731-6742,并以封面文章形式予以报道。中科院宁波材料所和宁波大学联合培养的韦华硕士为论文的第一作者,陈静副研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(51803227)、宁波市科技创新2025重大专项(2019B10063)、医用植介入材料浙江省工程研究中心、浙江省生物医学材料技术与应用国际科技合作基地等的资助。

图1 水凝胶的宏观性能表现

图2 水凝胶的电阻变化率随应力(a-c)和温度(d,e)变化的规律

图3 水凝胶用于多模态生理信号采集

  (医工所 陈静)