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北京師范大學劉楠教授團隊 AFM:生物可降解離電皮膚助力瞬態電子
2023-08-24  來源:高分子科技

  可穿戴電子產品對人類社會的娛樂、醫療保健和人機交互等許多領域都產生了巨大的影響。然而,這些電子產品大多是由不可降解的無機或有機材料制成,不可避免地加劇了電子垃圾的產生。據報道,截止2019年電子垃圾的產量約為5360萬噸,預計到2030年將達到7470萬噸。為了緩解由電子垃圾引起的垃圾填埋和環境問題,瞬態電子(或可生物降解電子),其主要特征是能夠在生理和環境介質中溶解或生物降解,是減少電子垃圾產生的關鍵技術。



  近期,北京師范大學化學學院劉楠教授團隊開發了一種高性能離電皮膚,具有高離子電導率,良好的皮膚順應性和完全的生物降解性。因此,它能夠準確地檢測電生理信號,并大大減少了電子垃圾的產生。此外,它可以記錄和刺激牛蛙坐骨神經上的神經電信號,并在3天內完全降解,無需額外的手術去除電極。相關工作以A fully biodegradable and biocompatible ionotronic skin for transient electronics為題發表在《Advanced Functional Materials》上。 該離電皮膚由雙網絡離子凝聚構成,其中一層網絡由具有優異生物兼容性、生物可降解性、抗菌性等特性的羧化殼聚糖(CCS)通過氫鍵相互作用構成,其本身還是一種聚電解質,可以提供良好的離子導電性。另一層網絡由兩性離子結構的磺酸基甜菜堿(SBMA)聚合后通過靜電相互吸引構成,其主鏈上豐富的陰陽離子可以通過離子偶極和陽離子等作用與不同界面形成粘附。最后,丙三醇(Gly)和水提供了豐富的氫鍵結合位點,進一步提高整個網絡的交聯,使體系中的水不易揮發和凝結,提高了整體電極材料的耐用性(圖一) 


圖一 完全生物可降解與生物兼容的離電皮膚的構筑。


  在室溫下,該離電皮膚僅需3天即可在PBS溶液中完全降解,這主要歸功于水溶性CCS和鹽溶液中SBMA聚合物交聯片段解離通過理論計算和分子動力學模擬可知PBS溶液中豐富的陰陽離子破壞了SBMA聚合物原本通過靜電相互吸引構成的交聯體系,致使整個交聯體系完全解離并最終溶于PBS溶液中(圖二)。 


圖二 離電皮膚的降解機理。


  得益于良好的離子電導率皮膚順應性和完全的生物降解性,該離電皮膚能夠準確地檢測電生理信號,并且還可以控制機械手進行人機交互(圖三)。此外,它可以記錄和刺激牛蛙坐骨神經上的神經電信號,并在3天內完全降解,無需額外的手術去除電極(圖四)。 


圖三 電生理測試與人機交互。 


圖四 動作電位記錄和神經刺激的可生物降解電極。


  該論文的第一作者葉國博士。該研究獲得了國家自然科學基金委的資助。北師大劉楠課題組—可穿戴材料實驗室真誠歡迎對該領域感興趣的同學們加入,歡迎咨詢:nanliu@bnu.edu.cn課題組網站:https://www.x-mol.com/groups/liunan


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303990

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(責任編輯:xu)
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