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陜科大王學川教授/劉新華副教授、川大郭俊凌教授聯合團隊 AFM：高機械強度和透明度的天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚

2023-01-31 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/劉新華副教授與四川大學郭俊凌教授聯合團隊報道了一種多功能天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚，該電子皮膚展現出良好的透明度和優異的機械性能、保濕性能、抗菌性能、溫度/濕度/應變傳感性能、組織保護性能等多功能特性。相關研究成果發表于國際材料領域頂級期刊Advanced Functional Materials上。

電子皮膚（e-skins）在機械性能上與人體皮膚類似，被認為是用于無創人機交互和可穿戴設備的理想電子裝置。為了完全模仿人類皮膚，電子皮膚應該擁有可靠的機械性能；同時能夠抵抗外部環境變化，如熱、冷、干燥和細菌；并且能夠感知多種外部刺激，如溫度、濕度和應變。

圖1. NSD-Gel e-skin的示意圖

該研究采用簡單的一鍋法，以天然皮膚為基材，并引入甜菜堿、銀納米粒子（AgNPs）、氯化鈉（NaCl）和甘油/水二元溶劑形成的混合液，以納米化方式設計了一種全新的多功能天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚（NSD-Gel e-skin）。其中，天然皮膚主要作為NSD-Gel e-skin的骨架，提供高機械強度和大量結合位點。NaCl可有效地調節溶劑的吸收，防止天然皮膚過度腫脹。甜菜堿和AgNPs能夠有效地抑制和殺死細菌，從而賦予NSD-Gel e-skin高效的抗菌性能。二元溶劑和甜菜堿分別作為介質和功能填料，可有效降低凍結溫度并減緩干燥速度。此外，溶劑中的Na⁺、H⁺和AgNPs賦予了NSD-Gel e-skin良好的導電性。

基于上述設計原理，NSD-Gel e-skin顯示出良好的透明度以及優異的拉伸強度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保濕性、回濕性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有優異的耐寒/耐熱性和刺激反應特性，可以有效地感知環境溫度或濕度的變化，以及監測人體生理/運動信號。體外和體內實驗表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在惡劣的環境中（-196℃至100℃）也能起到組織保護作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴電子設備、人機界面和人工智能等領域具有巨大的應用潛力，為開發具有按需特性的高性能電子皮膚提供了一個重要平臺。

圖2. NSD-Gel e-skin的抗凍性能、溫度傳感和濕度感應特性

圖3. NSD-Gel e-skin的實時運動監測

圖4. NSD-Gel e-skin的細胞毒性、組織保護作用和冷熱刺激響應性能

相關成果以“Mechanically robust and transparent organohydrogel-based e-skin nanoengineered from natural skin”為題發表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）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王學川教授和劉新華副教授以及四川大學郭俊凌教授。感謝國家自然科學基金（2207081675、22278257），陜西重點研發計劃項目（2022GY‐272），陜西省科協青年人才托舉計劃項目（20200424），教育部“藍火計劃”（惠州）產學研聯合創新資金項目（CXZJHZ201801）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://doi.org/10.1002/adfm.202212856

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（責任編輯：xu）

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