广西大学林宝凤团队 ACS AMI：具有抗菌抗氧化和紫外线防护功能的电子皮肤用于湿度/汗液传感

2022-12-24 来源：高分子科技

近年来，受人体皮肤或动物皮肤启发，仿生电子皮肤（e-skins）在人机交互、人工智能、可穿戴传感器件和医疗健康监测等应用中已被广泛探索和研究。多数电子皮肤具有感官功能或者表现出独特的性能，然而用于制备它们的原材料可能有毒或有害、导电填料和聚合物之间可能存在兼容性较差等问题。有毒物质的使用可以通过皮肤的接触危害人类的健康，因此，天然生物聚合物（如天然多糖、蛋白质等）在电子皮肤的应用中成为生物相容性导体的重要组成部分，但是其成膜材料机械性能和阻水性能较差。此外，多数电子皮肤产品不具备紫外防护和抗菌功能，它们在使用或穿戴的过程中，紫外线的辐射和人体汗液滋生的细菌对人体皮肤和健康造成了危害。

针对上述问题，近日，广西大学林宝凤教授团队采用绿色的原位还原法设计和制备了一种电子皮肤，用于湿度/汗液传感器和可穿戴器件应用（图1）。该研究选用无毒无害的天然成分香草醛（Vanillin）作为交联剂和还原剂，AgNO₃为银源，聚乙烯醇（PVA）和羧甲基淀粉（CMS）为稳定剂和封端剂制备银纳米复合材料。PVA可显著改善CMS的机械性能和阻隔性能。Vanillin具有抗菌抗氧化活性，并具有一定的金属银还原能力、避免了有毒化学试剂的使用，因其结构含有的醛基和酚羟基能够吸收紫外线使其可以抵御紫外线的辐射。复合基质中基于氢键作用和配位作用的交联网络有利于AgNPs和AgNWs的稳定。其机械性能得到了改善（拉伸强度为30.95MPa，断裂伸长率为101.9%，杨氏模量为10.62MPa）。在不同的湿度环境下可在60 s内表现出对湿度的响应（图2），在93% RH的湿度环境下对应变具有0~140%的响应范围（图3），并且能够记录一些人体关节运动（如手指弯曲、手腕弯曲、手肘弯曲）和人体皮肤出汗时的电信号（图4）。这种电子皮肤具有良好的机械性能，表现出优异的抗菌抗氧化活性，并具有出色的紫外线防护性能，为可穿戴电子皮肤的设计提供了一条更绿色、有前景的参考思路和策略。

图1 （a）电子皮肤的制备流程示意图；（b）原位还原反应和交联网络示意图；（c）紫外线防护和抗菌抗氧化示意图；（d）可穿戴电子器件应用；（e）AgNPs和AgNWs的TEM图像

图2 （a）不同湿度下连接LED灯的发光情况；在60 s内对湿度的响应：（b）（c）（d）从低相对湿度到高相对湿度时电流随时间的变化；（e）（f）（g）从高相对湿度到低相对湿度时电流随时间的变化

图3 （a）不同湿度下的应力-应变曲线；（b）不同湿度下的电流-应变曲线；（c）（d）（e）（f）在拉伸过程中不同湿度时的电流曲线变化

图4 人体关节的运动电阻信号和电流信号：（a）（d）手指弯曲90°；（b）（e）手腕弯曲；（c）（f）手肘弯曲；（g）出汗时的电流信号记录；（h）不同温度时的电阻；（i）紫外-可见光光谱曲线

该工作以“Humidity-/Sweat-Sensitive Electronic Skin with Antibacterial, Antioxidation, and Ultraviolet-Proof Functions Constructed by a Cross-Linked Network”为题发表在ACS Applied Materials& Interfaces杂志上。论文的通讯作者为广西大学化学化工学院林宝凤教授，第一作者为硕士研究生温丽珊。该研究得到国家自然科学基金（51863001和22175045）和广西自然科学基金重点项目（2021GXNSFDA220005）的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c15876

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（责任编辑：xu）

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