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陜科大王學川/劉新華 JMCA：用于健康監測和熱量管理的多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料

2022-12-07 來源：高分子科技

近日，陜西科技大學生物質與功能材料研究所王學川教授/劉新華副教授團隊報道了一種多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料，該材料不僅可用于健康監測，如人體脈搏檢測、微表情分析和關節運動監測，還可以通過在不同溫度和環境條件下調節人體亞環境溫度進而有效進行熱量管理。相關研究成果發表于國際材料領域頂級期刊Journal of Materials Chemistry A上。

圖1 PPy/SCB@PP-CFs的微觀結構和多功能示意圖

作為可穿戴電子設備的重要組成部分，柔性應變傳感器因其在捕捉姿勢和監測各種人類活動方面的能力而引起廣泛關注。然而，大多數應變傳感器存在強度較低、導電性不高、特定環境應用性能不足等問題。基于此，該項研究通過將原位聚合法、噴涂技術與浸漬方法相結合，設計了一種多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料（PPy/SCB@PP-CFs）。膠原纖維（CFs）作為PPy/SCB@PP-CFs的骨架。原位聚合后沉積的聚吡咯（PPy）和噴涂在纖維表面的超疏水炭黑（SCB）賦予了PPy/SCB@PP-CFs優異的導電性能和光熱轉換性能，并增強了膠原纖維的電磁屏蔽效果。同時，負載的SCB、疏水化改性SiO₂（F-SiO₂）和膠原纖維共同形成了粗糙的表面結構， PPy/SCB@PP-CFs表現出顯著的超疏水特性。

基于上述設計原理， PPy/SCB@PP-CFs顯示出優異的拉伸強度（59.9 MPa）、導電性（6.5 S/m）、柔韌性、生物相容性、超疏水性（接觸角>155°）、阻燃性能、電磁屏蔽效果（18.3 dB）、光熱轉換性能和應變傳感性能。值得注意的是，PPy/SCB@PP-CFs可作為柔性應變傳感材料被制作成不同的可穿戴智能產品，這些產品即使在惡劣的環境條件下（如污漬、汗水、雨水、電磁干擾和低溫）也可以長期穩定地用于個人健康監測和熱量管理。簡單通用的制造工藝以及多功能的性能集成使PPy/SCB@PP-CFs在可穿戴電子設備、人機界面和人工智能等領域具有良好的應用潛力。

圖2 PPy/SCB@PP-CFs的導電性能、應變傳感性能和電磁屏蔽效果

圖3 PPy/SCB@PP-CFs的實時運動信號監測效果

圖4 基于PPy/SCB@PP-CFs的系列智能產品

相關成果以“Versatile Nano-micro Collagen Fiber-Based Wearable Electronics for Health Monitoring and Thermal Management”為題發表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D2TA08263B）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授。感謝感謝國家自然科學基金（2207081675、22278257），陜西重點研發計劃項目（2022GY‐272），陜西省教育廳重點項目（22JY013）和中國博士后基金項目（2021M692000）對本工作的大力支持！

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta08263b

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（責任編輯：xu）

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