【今日首推】|肌肉微结构启发的MXene基木质衍生电子皮肤用于可穿戴传感

研究速览

■ 受生物软组织高度排列、有序的微观结构和各向异性力学性能的启发,MXene基的人造电子皮肤（e-skins）近年来被广泛报道。然而，在同时实现绿色、高机械性能和多功能性方面仍然存在挑战。

■ 近期，北京林业大学蒲俊文教授团队与同济大学曹文涛博士后受生物肌肉微组织结构的启发提出了一种具有各向异性结构的MXene/PVA/Gly木制衍生智能电子皮肤系统（PM/CS/Gly），通过该方法制备的电子皮肤觉有出色的机械强度和柔韧性，同时表现出抗冻性能和保湿能力。重要的是具有卓越机电传感的电子皮肤可以实现对人体各种运动的实时监测。此外，该电子皮肤还可以实现在水生环境中的私密信息传输甚至物体识别。本研究为开发具有仿生特性的下一代可穿戴设备和多功能电子皮肤系统提供了一种简便的策略。

Part1

▉ 研究摘要 ▉

■ 近年来，人们已经做出了许多努力来制备用于电子皮肤系统的类似肌肉的水凝胶。然而，提高电子皮肤系统的机械强度、导电性和多功能性仍然具有挑战性。由于缺乏有效的增强结构和有序排列，这些传统的水凝胶基柔性材料的拉伸应力只有几十或几百 kPa。此外，复杂的制备工艺和成本严重限制了它们的应用。

■ 在这项工作中，我们开发了一种受肌肉启发的强大、导电、生物相容和定向的木材衍生水凝胶电子皮肤（图 1）。该系统通过简单的冻融过程将源自天然木材的纤维素支架 (CS) 与聚乙烯醇 (PVA)/MXene 纳米片 (PM) 网络相结合，具有高韧性和优良的导电性的复合水凝胶。此外，水凝胶在干燥条件下往往会失去水分或在冰点以下失去弹性，这极大地限制了电子皮肤的操作条件。为了进一步扩展电子皮肤的工作条件，通过置换生物相容性低温保护剂，得到PM/CS/甘油（Gly）电子皮肤。这种受生物启发的 PM/CS/Gly 皮肤具有柔韧性、强韧、抗冻和保湿能力，可用作智能电子皮肤系统来监测人体运动。e-skin系统还实现了水环境中的信息传输和物体识别。这项工作在可穿戴传感方面表现出巨大的优势和潜力。

图 1. 源自天然木材的各向异性 PM/CS/Gly 电子皮肤的设计理念和制造过程的图解说明。(a) PM/CS/Gly e-skin 系统的制造过程和 (b) 功能

Part2

▉ 研究要点1 ▉

■ 本文首先对PM/CS/Gly 电子皮肤系统的制备原理和机理进行了探究。PM/CS/Gly 电子皮肤的微观结构表明木材细胞壁和 PM 之间的紧密集成界面，这证实了 PM 和 CS 之间的兼容性。通过 PM 和 CS 之间的氢键和共价相互作用，成功构建了紧凑、坚固且均匀的聚合物网络结构。PM/CS/Gly 内部的紧凑和整体结构有利于增强电子皮肤的机电性能 ，有利电子皮肤系统在传感功能的高灵敏度和稳定性。

图 2. (a) 天然木材（NW）、CS、PM e-skin 和 PM/CS/Gly e-skin 的 FTIR 光谱。(b) NW 和 CS 的 XRD 图案。(c) 不同 MXene 含量的 PM/CS/Gly 的 FTIR 光谱。(d) 纯 Ti3C2 纳米片的 XPS 测量光谱（插入的图像显示 MXene 溶液的廷德尔效应）和 (e) Ti 和 F 图案。(f) PM/CS/Gly e-skin 的 C-、O-和 Ti 元素映射

▉ 研究要点2 ▉

■ 与生物组织（如软骨、肌肉和韧带）类似，PM/CS/Gly 电子皮肤具有出色的拉伸强度和柔韧性 。这些结果可能是因为PM水凝胶在CS中形成了均匀的复合结构，聚合物网络和CS相互配合，提高了电子皮肤的机械强度。PM/CS/Gly 电子皮肤的拉伸应力和其他性能显着高于类似的导电水凝胶，表明具有各向异性结构的 PM/CS/Gly 电子皮肤具有独特的优势。简而言之，在聚合物网络中具有对齐纳米结构的 PM/CS/Gly e-skin 在特定方向上增强了机械性能和导电性，从而扩大了其应用范围。

图 3. (a) 不同 MXene 含量的 PM/CS/Gly e-skin 的电导率。(b) 显示 PM/CS/Gly e-skin 的照片可以折叠和扭曲，与刚性 CS 相比，具有出色的柔韧性和恢复性。(c) PM/CS/Gly e-skin 在 200 g 的重量负载下的举重行为照片，大约是其自身重量的 1300 倍。(d) PM/CS/Gly e-skin 在 R 方向和 L 方向的拉伸应力-应变曲线。(e) PM/CS/Gly e-skin 在 R 方向和 L 方向的最大应力值。(f) 与类似水凝胶相比的极限拉伸强度

▉ 研究要点3 ▉

■ 基于PM/CS/Gly良好的导电性和机械柔性和强度，通过该方法所制备的可穿戴电子皮肤实现了快速响应能力(120 ms和90 ms)和良好的循环稳定性，可以用于跳，蹲，手指弯折、发音的实时监测和信息传输功能。此外，基于PM/CS/Gly的压阻传感特性在水生环境下能够实现简单的物体识别与信息传输能力。还检查了冷冻保护/吸湿保护物质对 PM/CS/Gly 电子皮肤的环境稳定性和抗冻能力的影响。由于其在皮肤可穿戴传感器中的低生物毒性，甘油被选为吸湿/冷冻保护物质。此外，甘油的电荷中性对 MXene 纳米片与粘合剂层中带电基团之间的连续导电通道几乎没有损害。它通过与 H2O 分子形成强氢键并破坏水分子之间的氢键，具有有效的抗脱水和抗冻作用。

图 4. PM/CS/Gly e-skin 的基本传感特性以及在不同人体运动行为的实时监测行为

图 5. 基于PM/CS/Gly电子皮肤在加密信息传输和在水环境下的实时传感监测行为，以及抗冻性和保湿性能力

Part3

▉ 研究总结 ▉

■ 该项研究受高度排列有序的肌肉的启发，利用纤维素支架（源自天然木材）作为模板，然后引入柔性 PM 导电网络，开发出具有各向异性、生物相容性的强木材衍生水凝胶电子皮肤。PM / CS / Gly e-skin通过结合高强度和柔韧性来模仿生物肌肉组织的特征。由于物理、机械和电气特性的独特组合，PM/CS/Gly e-skin 系统可用作柔性传感器来检测各种人体运动。私人信息的传输可以通过摩尔斯电码在空气或水中实现。PM/CS/Gly 电子皮肤在水下环境中的隐蔽通信和监视设备领域具有巨大潜力。我们设想，这项研究的结果将促进下一代可穿戴设备和具有仿生特性的多功能传感器的发展。

该工作以“An Anti-Freezing and Strong Wood-Derived Hydrogel for High-Performance Electronic Skin and Wearable Sensing ”为题发表在《Composites part B: Engineering》上。

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