肌肉微結構啟發(fā)的MXene基木質衍生電子皮膚用于可穿戴傳感
研究速覽
■?受生物軟組織高度排列、有序的微觀結構和各向異性力學性能的啟發(fā),MXene基的人造電子皮膚（e-skins）近年來被廣泛報道。然而，在同時實現(xiàn)綠色、高機械性能和多功能性方面仍然存在挑戰(zhàn)。
■?近期，北京林業(yè)大學蒲俊文教授團隊與同濟大學曹文濤博士后受生物肌肉微組織結構的啟發(fā)提出了一種具有各向異性結構的MXene/PVA/Gly木制衍生智能電子皮膚系統(tǒng)（PM/CS/Gly），通過該方法制備的電子皮膚覺有出色的機械強度和柔韌性，同時表現(xiàn)出抗凍性能和保濕能力。重要的是具有卓越機電傳感的電子皮膚可以實現(xiàn)對人體各種運動的實時監(jiān)測。此外，該電子皮膚還可以實現(xiàn)在水生環(huán)境中的私密信息傳輸甚至物體識別。本研究為開發(fā)具有仿生特性的下一代可穿戴設備和多功能電子皮膚系統(tǒng)提供了一種簡便的策略。
Part1
▉? 研究摘要? ▉
■?近年來，人們已經做出了許多努力來制備用于電子皮膚系統(tǒng)的類似肌肉的水凝膠。然而，提高電子皮膚系統(tǒng)的機械強度、導電性和多功能性仍然具有挑戰(zhàn)性。由于缺乏有效的增強結構和有序排列，這些傳統(tǒng)的水凝膠基柔性材料的拉伸應力只有幾十或幾百 kPa。此外，復雜的制備工藝和成本嚴重限制了它們的應用。
■?在這項工作中，我們開發(fā)了一種受肌肉啟發(fā)的強大、導電、生物相容和定向的木材衍生水凝膠電子皮膚（圖 1）。該系統(tǒng)通過簡單的凍融過程將源自天然木材的纖維素支架 (CS) 與聚乙烯醇 (PVA)/MXene 納米片 (PM) 網絡相結合，具有高韌性和優(yōu)良的導電性的復合水凝膠。此外，水凝膠在干燥條件下往往會失去水分或在冰點以下失去彈性，這極大地限制了電子皮膚的操作條件。為了進一步擴展電子皮膚的工作條件，通過置換生物相容性低溫保護劑，得到PM/CS/甘油（Gly）電子皮膚。這種受生物啟發(fā)的 PM/CS/Gly 皮膚具有柔韌性、強韌、抗凍和保濕能力，可用作智能電子皮膚系統(tǒng)來監(jiān)測人體運動。e-skin系統(tǒng)還實現(xiàn)了水環(huán)境中的信息傳輸和物體識別。這項工作在可穿戴傳感方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力。
Part2
▉? 研究要點1? ▉
■?本文首先對PM/CS/Gly 電子皮膚系統(tǒng)的制備原理和機理進行了探究。PM/CS/Gly 電子皮膚的微觀結構表明木材細胞壁和 PM 之間的緊密集成界面，這證實了 PM 和 CS 之間的兼容性。通過 PM 和 CS 之間的氫鍵和共價相互作用，成功構建了緊湊、堅固且均勻的聚合物網絡結構。PM/CS/Gly 內部的緊湊和整體結構有利于增強電子皮膚的機電性能 ，有利電子皮膚系統(tǒng)在傳感功能的高靈敏度和穩(wěn)定性。
▉? 研究要點2? ▉
■?與生物組織（如軟骨、肌肉和韌帶）類似，PM/CS/Gly 電子皮膚具有出色的拉伸強度和柔韌性 。這些結果可能是因為PM水凝膠在CS中形成了均勻的復合結構，聚合物網絡和CS相互配合，提高了電子皮膚的機械強度。PM/CS/Gly 電子皮膚的拉伸應力和其他性能顯著高于類似的導電水凝膠，表明具有各向異性結構的 PM/CS/Gly 電子皮膚具有獨特的優(yōu)勢。簡而言之，在聚合物網絡中具有對齊納米結構的 PM/CS/Gly e-skin 在特定方向上增強了機械性能和導電性，從而擴大了其應用范圍。
▉? 研究要點3? ▉
■?基于PM/CS/Gly良好的導電性和機械柔性和強度，通過該方法所制備的可穿戴電子皮膚實現(xiàn)了快速響應能力(120 ms和90 ms)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可以用于跳，蹲，手指彎折、發(fā)音的實時監(jiān)測和信息傳輸功能。此外，基于PM/CS/Gly的壓阻傳感特性在水生環(huán)境下能夠實現(xiàn)簡單的物體識別與信息傳輸能力。還檢查了冷凍保護/吸濕保護物質對 PM/CS/Gly 電子皮膚的環(huán)境穩(wěn)定性和抗凍能力的影響。由于其在皮膚可穿戴傳感器中的低生物毒性，甘油被選為吸濕/冷凍保護物質。此外，甘油的電荷中性對 MXene 納米片與粘合劑層中帶電基團之間的連續(xù)導電通道幾乎沒有損害。它通過與 H2O 分子形成強氫鍵并破壞水分子之間的氫鍵，具有有效的抗脫水和抗凍作用。
Part3
▉? 研究總結? ▉
■?該項研究受高度排列有序的肌肉的啟發(fā)，利用纖維素支架（源自天然木材）作為模板，然后引入柔性 PM 導電網絡，開發(fā)出具有各向異性、生物相容性的強木材衍生水凝膠電子皮膚。PM / CS / Gly e-skin通過結合高強度和柔韌性來模仿生物肌肉組織的特征。由于物理、機械和電氣特性的獨特組合，PM/CS/Gly e-skin 系統(tǒng)可用作柔性傳感器來檢測各種人體運動。私人信息的傳輸可以通過摩爾斯電碼在空氣或水中實現(xiàn)。PM/CS/Gly 電子皮膚在水下環(huán)境中的隱蔽通信和監(jiān)視設備領域具有巨大潛力。我們設想，這項研究的結果將促進下一代可穿戴設備和具有仿生特性的多功能傳感器的發(fā)展。
該工作以“An Anti-Freezing and Strong Wood-Derived Hydrogel for High-Performance Electronic Skin and Wearable Sensing ”為題發(fā)表在《Composites part B: Engineering》上。
