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长春工业大学高光辉《JMCA》具有类似皮肤的机械行为DNA启发的水凝胶机械受体

时间:2021-01-13 15:54:51来源:水凝胶

【背景介绍】

皮肤是人体免受伤害和微生物入侵的第一道防护屏障,并且具有低模量,坚固的韧性和自刚度。同时,皮肤还配备了对各种复杂刺激(例如机械力,湿度和温度)的多种超敏感知系统,并使人们能够与世界互动和交流。模仿皮肤的电子器件引起了人们对个性化健康监测,人体运动检测和生物医学植入物的广泛兴趣。然而,现有的柔性电子器件仍无法与人类皮肤的先进性能相提并论,并且要实现高的模仿皮肤能力仍然具有挑战性。首先,依靠弹性体(例如,聚二甲基硅氧烷和聚氨酯)的电子皮肤呈现出高弹性模量但是低韧性,导致与人体的不良结合。其次,大多数电子产品由于其低拉伸性而具有有限的检测范围。第三,导体和弹性体之间不良的界面结合导致在反复循环变形期间,特别是在大应变下,导电填料从弹性基底上脱离。因此,制造全面模拟人类皮肤的感知和机械行为以满足柔性电子的要求的柔性电子设备仍然具有挑战性。

【科研摘要】

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最近,长春工业大学高光辉团队设计了一种具有DNA启发性的水凝胶机械感受器,该感受器具有皮肤般的感知力和机械行为,以及出色的生物相容性。相关论文A DNA-inspired hydrogel mechanoreceptor with skin-like mechanical behavior发表在《J. Mater. Chem. A》上。他们使用DNA启发的单磷酸腺苷交联的季铵化壳聚糖网络和含NaCl的聚丙烯酰胺网络构建水凝胶。水凝胶具有低模量,高韧性,自刚度和快速自恢复性。结果,水凝胶机械受体对应变和压力表现出高灵敏度,并且即使在大变形(应变为500%)下也表现出可忽略的机电滞后。令人印象深刻的是,水凝胶可充当可靠的可穿戴传感器,用于检测全身运动和生理信号,包括各种关节运动,面部表情,发声和呼吸。可以预见,受DNA启发的水凝胶机械受体将推动新一代柔性电子设备的发展,例如电子皮肤,医疗植入物,软机器人和柔性触摸板。

【图文解析】

受DNA分子结构的启发,将单磷酸腺苷(AMP)和季铵化壳聚糖(QSC)整合在一起,构建了DNA启发的网络结构,以改善水凝胶的机械性能。结果,成功地制备了受DNA启发的水凝胶,并表现出具有高机械韧性,优异的回弹性和耐疲劳性以及优异的生物相容性的类似于皮肤的机械性能。水凝胶的制备过程如图1所示。首先将QCS,AAm,AMP,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和氯化钠(NaCl)添加到NaOH水溶液中。然后在过硫酸钾(KPS)的引发下进行聚合反应以获得QCS-AMP/PAAm水凝胶。

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图1. DNA启发的水凝胶的示意图。

人体皮肤由柔软的弹性蛋白纤维和坚硬的胶原纤维组成。皮肤表现出独特的机械性能,在较小的拉伸应变下表现出较高的柔软度,但在较大的变形下会变得较硬,以防止基于弹性蛋白和胶原蛋白纤维的相互作用而受损。34,35自我增强的特性可以确保用户进行大量身体活动时柔性传感器的完整性。皮肤的机械行为通常在三个区域进行解释(图2a)。当在人体皮肤上施加较小的应变(区域i)时,弹性蛋白纤维的变形抗力较弱,而胶原蛋白纤维仍缠结在一起,从而导致线性应力-应变关系低模量。

图2(a)皮肤的典型应力-应变曲线。(b)含62.4 wt%AMP/QCS的QCS-AMP/PAAm水凝胶的应力-染色曲线。(c)不同质量比的AMP/QCS下QCS-AMP/PAAm水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(d)在最大应变为500%时QCS/PAAm水凝胶和QCS-AMP/PAAm水凝胶的拉伸循环曲线,以及(e)相应的应力和耗散能量。(f)在不同的静置时间后,QCS-AMP/PAAm水凝胶在最大应变为500%时的拉伸循环曲线(g)对于AMP含量变化的水凝胶,G'和G''是频率的函数。(h)在不同质量比的AMP/QCS下水凝胶的压缩曲线。

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良好的导电性,高透明度和出色的生物相容性对于柔性传感器至关重要。如图3a所示,所有QCS-AMP/PAAm水凝胶的电导率均约为0.028 S cm-1。令人印象深刻的是,QCS-AMP/PAAm水凝胶的电导率几乎不受AMP驱动的机械强度的增加的影响,这与大多数以牺牲电导率为代价而提高机械性能的水凝胶不同。良好的导电性能应该是归功于强大而稳定的水凝胶网络,可以有效地保持自由离子导电通道的完整性。因此,QCS-AMP/PAAm水凝胶克服了高机械性能和优异电导率之间折衷的局限性。此外,QCS-AMP / PAAm水凝胶显示出高的光学透明性,紫外线透射率为92%(图3b),其中透过水凝胶观察到的仙人掌的厚度为2 mm(图3b的插图)。此外,通过CCK-8分析评估了QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝胶的体外生物相容性。如图3c所示,QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝胶可以促进人类原代成纤维细胞的生长。温育96小时后,人原代成纤维细胞的数目比24小时明显增加,并且水凝胶的细胞存活力与对照组几乎相同。结果表明,QCS-AMP/PAAm水凝胶具有优异的生物相容性。QCS-AMP/PAAm水凝胶具有良好的电导率,高透明性和出色的生物相容性,在“隐形”电子学中具有广阔的应用前景。

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图3(a)不同AMP含量的QCS-AMP/PAAm水凝胶的电导率。(b)QCS-AMP/PAAm水凝胶的AMP/QCS含量为62.4 wt%(厚度为2毫米)的紫外线透射率。(c)在QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝胶上原代成纤维细胞的细胞活力。(d)水凝胶应变传感器相对于各种施加的拉伸应变的相对电阻变化和规格系数。(e)通过拉伸到各种应变(30–500%),水凝胶应变传感器的相对电阻变化。(f)水凝胶应变传感器的响应和恢复时间。(g)在输入应变为500%时水凝胶应变传感器的信号磁滞。(h)在50%应变,100 mm min-1的拉伸速率下,水凝胶传感器在100个拉伸-松弛循环中的相对电阻变化曲线。

除应变感测能力外,可穿戴电子设备对压力刺激的感知能力也很重要。因此,对水凝胶传感器的压力感测能力进行了进一步的研究。图4a示出了在不同压力下水凝胶传感器的ΔR/ R0的曲线。ΔR/R0首先在低压范围(0-22 kPa)中迅速增加,GF为0.013 kPa-1。然后,随着压力的进一步增加,ΔR/R0显示出缓慢的变化趋势,并且在22–50 kPa的压力范围内GF下降至0.002 kPa-1。这是因为水凝胶在高压下会过度变形。离子传输受到限制,最终导致灵敏度降低。51图。图4b显示了在不同压力下压力传感器的感测性能。压力传感器可以识别不同程度的压力,并具有出色的感测稳定性。此外,压力传感器对不同的压力频率敏感(图4c)。如图4d所示,输入压力曲线与输出电信号之间存在很大的同步性,表明水凝胶压力传感器具有出色的可忽略的滞后性。

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图4(a)在不同压力下水凝胶压力传感器的相对电阻变化曲线。(b)在1.5 kPa,3.0 kPa和8.3 kPa的不同压力下的相对电阻变化。(c)在不同压力速度和8.3 kPa压力下相对电阻随时间的变化。(d)水凝胶压力传感器的信号同步性强。(e)安装在食指上的触觉传感器的照片,用于抓握和释放盛有不同水量的烧杯,以及(f)实时相对电阻变化曲线。

具有应变和压力敏感性的杰出特征,可忽略的机电滞后,宽泛的传感范围以及出色的生物相容性,这种受DNA启发的水凝胶有望作为可穿戴式可穿戴传感器用于监测全身运动和生理信号(图5a)。传感器可以通过明显的电阻变化来准确地区分弯曲角度的变化(图5b)。同样,可穿戴式传感器可以捕获手腕的运动(图5c)。此外,可穿戴式传感器能够通过ΔR/R0的频率变化差异识别各种步行状态。如图5d所示,随着步行速度的增加,不同步行速度下的响应曲线呈现出从密集到稀疏的趋势。此外,传感器可以轻松跟踪微妙的面部表情变化。当将水凝胶传感器安装在额头上时,皱眉的形成过程会根据可重复且规则的电信号及时记录下来(图5e)。

图5(a)用于监测全身运动和生理信号的可穿戴水凝胶传感器的示意图。(b)以不同角度(0°,30°,45°和90°)弯曲手指时,相对电阻随时间变化的曲线。水凝胶传感器在监测中的应用(c)手腕弯曲;(d)步行;(e)皱眉;(f)呼吸和(g)说话。(h)使用软刷对水凝胶传感器的周期性剪切力进行感测。(i)附着在气球上的水凝胶传感器对气球反复充气和放气的响应。

参考文献:doi.org/10.1039/D0TA11437E

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