用于智能人机交互传感的柔性仿生可愈合抗菌电子器件
2023-12-30 22:32:25 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

科研人员利用巧妙的模板化方法将新制备的可愈合、可循环利用、抗菌聚氨酯弹性体基体作为保护性表皮层，将导电的MXene纳米片包覆微球阵列作为传感层，将叉指电极作为信号传输层，并通过面对面组装制备了一种皮肤仿生多功能电子器件。

柔性电子传感器因其在电子皮肤（e-skin）、可穿戴人机接口和智能诊断医疗传感方面的潜力而备受科研人员的关注。然而，制备具有高灵敏度、宽传感范围、快响应速度、高效愈合能力和可靠抗菌性能的多功能柔性电子器件仍然是一项巨大的挑战。

人体皮肤以表皮为保护层，以棘状微结构为传感层，以神经传导网络为信号传输层，通过放大棘状微结构接收到的外界触觉刺激，并将其传输给临近的机械感受器和神经传导网络，能够实现对微小压力（低至约1 Pa）的高灵敏度检测，以及对外界刺激的宽范围触觉感知（宽至约100 kPa ~ 300 kPa）。近年来，生物皮肤仿生学的出现为实现具有先进多功能性和灵敏触觉感知功能的新型柔性电子器件提供了巨大的灵感。受具有优异传感性能的人体皮肤微结构的启发，开发一种具有类皮肤微结构的皮肤仿生柔性电子传感器，以在宽压力范围内显著改善具有棘状微结构的传感层与信号传输层之间的接触电阻变化，从而实现超高传感灵敏度、宽传感范围和快响应速度，具有极其重要的意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，受高灵敏度的人体皮肤微结构（保护性表皮/棘状传感结构/神经传导网络）启发，来自北京化工大学的科研人员利用巧妙的模板化方法将新制备的可愈合、可循环利用、抗菌聚氨酯弹性体基体作为保护性表皮层，将导电的MXene纳米片包覆微球阵列作为传感层，将叉指电极作为信号传输层，并通过面对面组装制备了一种皮肤仿生多功能电子器件。相关研究成果以“Flexible Bioinspired Healable Antibacterial Electronics for Intelligent Human-Machine Interaction Sensing”为题发表在Advanced Science期刊上。

具有优异愈合能力和可靠抗菌性能的皮肤仿生超灵敏多功能柔性电子传感器的制备示意图

得益于聚氨酯弹性体基体卓越的机械性能和传感器独特的皮肤仿生微结构，组装后的柔性电子器件具有令人惊叹的传感性能，其在人体健康监测诊断的应用中展现出超高灵敏度（高达1573.05/kPa）、宽传感范围（宽至325 kPa）、良好的重现性、快速的响应时间（约为4 ms）以及低检测限（约为0.98 Pa）特征。

柔性电子传感器的传感性能

基于优异的传感性能，科研人员制备的柔性电子传感器被成功地应用于人体健康的全方位、实时检测中，包括细微的人体活动（如脉搏、发音等）和大尺度的人体活动（如手指弯曲、步态检测等）。此外，这种柔性电子传感器还可以整合到智能机械手上，并与无线发射器连接，从而实现无线智能人机交互。

柔性电子传感器在各种人体活动检测中的多功能传感应用

可穿戴人机接口及其无线压力传感应用

此外，基于聚氨酯弹性体基体的柔性电子传感器表现出优异的愈合能力和可靠的抗菌性能。其中，聚氨酯弹性体“PUPDU-Cu”的愈合能力主要取决于三重动态键，即可逆氢键、肟氨基甲酸酯键以及铜（II）离子（Cu²⁺）配位键。而Cu²⁺具有广谱抗菌活性，使得PUPDU-Cu弹性体对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到95.5%和92.0%，从而有效抑制了柔性电子传感器与人体皮肤接触位置的细菌繁殖。

PUPDU-Cu弹性体的愈合能力