陕科大王学川教授/刘新华副教授、川大郭俊凌教授联合团队 AFM：高机械强度和透明度的天然皮肤基有机水凝胶电子皮肤

2023-01-31 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川教授/刘新华副教授与四川大学郭俊凌教授联合团队报道了一种多功能天然皮肤基有机水凝胶电子皮肤，该电子皮肤展现出良好的透明度和优异的机械性能、保湿性能、抗菌性能、温度/湿度/应变传感性能、组织保护性能等多功能特性。相关研究成果发表于国际材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials上。

电子皮肤（e-skins）在机械性能上与人体皮肤类似，被认为是用于无创人机交互和可穿戴设备的理想电子装置。为了完全模仿人类皮肤，电子皮肤应该拥有可靠的机械性能；同时能够抵抗外部环境变化，如热、冷、干燥和细菌；并且能够感知多种外部刺激，如温度、湿度和应变。

图1. NSD-Gel e-skin的示意图

该研究采用简单的一锅法，以天然皮肤为基材，并引入甜菜碱、银纳米粒子（AgNPs）、氯化钠（NaCl）和甘油/水二元溶剂形成的混合液，以纳米化方式设计了一种全新的多功能天然皮肤基有机水凝胶电子皮肤（NSD-Gel e-skin）。其中，天然皮肤主要作为NSD-Gel e-skin的骨架，提供高机械强度和大量结合位点。NaCl可有效地调节溶剂的吸收，防止天然皮肤过度肿胀。甜菜碱和AgNPs能够有效地抑制和杀死细菌，从而赋予NSD-Gel e-skin高效的抗菌性能。二元溶剂和甜菜碱分别作为介质和功能填料，可有效降低冻结温度并减缓干燥速度。此外，溶剂中的Na⁺、H⁺和AgNPs赋予了NSD-Gel e-skin良好的导电性。

基于上述设计原理，NSD-Gel e-skin显示出良好的透明度以及优异的拉伸强度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保湿性、回湿性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有优异的耐寒/耐热性和刺激反应特性，可以有效地感知环境温度或湿度的变化，以及监测人体生理/运动信号。体外和体内实验表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在恶劣的环境中（-196℃至100℃）也能起到组织保护作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴电子设备、人机界面和人工智能等领域具有巨大的应用潜力，为开发具有按需特性的高性能电子皮肤提供了一个重要平台。

图2. NSD-Gel e-skin的抗冻性能、温度传感和湿度感应特性

图3. NSD-Gel e-skin的实时运动监测

图4. NSD-Gel e-skin的细胞毒性、组织保护作用和冷热刺激响应性能

相关成果以“Mechanically robust and transparent organohydrogel-based e-skin nanoengineered from natural skin”为题发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。陕西科技大学博士研究生白忠薛为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学王学川教授和刘新华副教授以及四川大学郭俊凌教授。感谢国家自然科学基金（2207081675、22278257），陕西重点研发计划项目（2022GY‐272），陕西省科协青年人才托举计划项目（20200424），教育部“蓝火计划”（惠州）产学研联合创新资金项目（CXZJHZ201801）和中国博士后基金项目（2021M692000）对本工作的大力支持！

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202212856

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（责任编辑：xu）

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