寧波材料所在離子皮膚關(guān)鍵材料方面取得新進(jìn)展
“離子皮膚”是一種基于離子電傳導(dǎo)機(jī)制來模擬人類皮膚感知應(yīng)力、溫度等多重功能的柔性電子器件。這一新材料概念一經(jīng)提出便引起了科學(xué)家們廣泛的研究興趣，發(fā)展出一系列基于彈性體和水凝膠的導(dǎo)電型柔性材料，在柔性電子學(xué)所涉及的穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、智能軟機(jī)器人等多個領(lǐng)域，展現(xiàn)出誘人的商業(yè)化應(yīng)用前景。當(dāng)前離子皮膚材料的發(fā)展日新月異，它們分別在拉伸性、導(dǎo)電性、自愈合性、透明性、粘附性等關(guān)鍵性能方面，可以滿足特定的應(yīng)用需求。然而，當(dāng)前材料大多注重單一性能的提高和優(yōu)化，其綜合性能表現(xiàn)與未來商業(yè)化離子皮膚的高要求相比，仍有不小的差距，也是目前制約該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問題。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物醫(yī)用高分子材料團(tuán)隊陳靜副研究員等科研人員通過精心設(shè)計水凝膠的組分、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和鏈間相互作用，發(fā)展了一類集超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一身的離子導(dǎo)電水凝膠材料。該材料具備和人類皮膚相仿的離子電傳導(dǎo)能力和應(yīng)力/溫度雙重傳感功能，在穿戴式健康監(jiān)測、仿生機(jī)器人、多模態(tài)生理電信號同步采集等方面展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。
作者選擇海藻酸鹽、兩性離子單體磺酸甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）和親水單體甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）為制備原料，它們均具有優(yōu)異的生物相容性。首先利用鈣離子絡(luò)合作用構(gòu)建多糖網(wǎng)絡(luò)骨架，保證凝膠具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，再通過原位引發(fā)SBMA和HEMA共聚，在多糖網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建完全基于非共價作用（靜電力、氫鍵）的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所得水凝膠材料在宏觀上表現(xiàn)出超高拉伸性（975%）、高透明性（96.2%）、普適粘附性、可3D打印性（圖1）。富電性兩性離子聚合物鏈的存在為電荷傳遞提供了通道，使得該水凝膠具有良好的離子電信號傳輸能力，其電導(dǎo)率可達(dá)0.39 S/m。在外應(yīng)力（拉伸或壓縮）作用下，離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生形變，宏觀上即表現(xiàn)出材料的電阻變化率隨應(yīng)變發(fā)生快速響應(yīng)，其拉伸和壓縮模式下的應(yīng)力傳感靈敏度最高可分別達(dá)3.26和7.34（圖2a,b），且材料在長達(dá)10000次的循環(huán)壓縮測試中，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的信號傳感能力（圖2c）。此外，溫度也會影響離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，水凝膠的電導(dǎo)率隨溫度上升而逐漸提高。該文首次嘗試對柔性導(dǎo)電材料進(jìn)行寬幅溫度（2～70 ℃）下的高分辨率（數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔為1/60 ℃）線性升溫/降溫（1 ℃/min）掃描，并同步記錄材料的電阻變化率（圖2d）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)封裝的水凝膠材料在2～40 ℃和40～70 ℃兩個溫度范圍內(nèi)，具有良好的線性響應(yīng)規(guī)律，其溫度傳感靈敏度（定義為(ΔR/R0)/ΔT）分別為0.69%/℃和2.39%/℃，與現(xiàn)有大多數(shù)柔性導(dǎo)電材料相比顯著提升（圖2e）。得益于水凝膠材料優(yōu)異的綜合性能和高靈敏應(yīng)變/溫度雙重傳感功能，該團(tuán)隊和運(yùn)動康復(fù)與醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊施長城副研究員等人合作，進(jìn)一步嘗試將其用于多模態(tài)生理信號采集。該材料可實(shí)時、同步、持續(xù)地采集人體腦電、眼動和額前溫度等關(guān)鍵信號，且與商用導(dǎo)電膏（羧甲基纖維素水膠體）相比，具有一致的信號記錄效果（圖3）。這一實(shí)踐有助于臨床醫(yī)生（尤其是精神科和心理科醫(yī)生）對病人的關(guān)鍵多重生理信號進(jìn)行同步且持續(xù)地監(jiān)測和分析，進(jìn)而建立人體精神狀態(tài)的生理變化指征關(guān)系，為臨床診斷和治療提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
該工作以“Ultrastretchable, Highly Transparent, Self-Adhesive, and 3D-Printable Ionic Hydrogels for Multimode Tactical Sensing”為題，發(fā)表于材料化學(xué)領(lǐng)域知名期刊Chem. Mater., 2021, 33, 6731-6742，并以封面文章形式予以報道。中科院寧波材料所和寧波大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的韋華碩士為論文的第一作者，陳靜副研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51803227）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項（2019B10063）、醫(yī)用植介入材料浙江省工程研究中心、浙江省生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)與應(yīng)用國際科技合作基地等的資助。
圖1 水凝膠的宏觀性能表現(xiàn)
圖2 水凝膠的電阻變化率隨應(yīng)力（a-c）和溫度（d,e）變化的規(guī)律
圖3 水凝膠用于多模態(tài)生理信號采集
（醫(yī)工所 陳靜）