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  表皮電子作為一種全新的可穿戴電子設(shè)備，質(zhì)量輕，可以像貼畫或者紋身一樣直接貼合在皮膚上，能夠檢測生物信號并向用戶提供反饋而不干擾用戶日常活動。為了準確地收集和傳遞人體生物信號，理想的表皮電極應(yīng)該自然地與皮膚貼合，以減小電極與皮膚之間的界面阻抗。由于人類皮膚具有一定拉伸性，所以能承受一定應(yīng)力并能夠適應(yīng)，因此對于新型類皮膚的表皮電極來說，可拉伸性必不可少。此外，人的皮膚受傷后還能夠進行傷口愈合，因此自治愈的表皮電極有望實現(xiàn)長期的堅固性和耐用性。目前，商用的銀/氯化銀凝膠電極缺乏可拉伸性和自治愈性，而且涂抹的凝膠還經(jīng)常引起皮膚刺激或易干燥等問題，這限制了其在高強度和長時間的日�；顒又械膽�(yīng)用。因此，新型的像皮膚一樣的無凝膠表皮電極是迫切需求的。

圖一.瓣鰓類動物啟發(fā)的用于電生理的表皮電極示意圖。(a)一只貽貝通過其足絲附著在另一只貽貝上面。(b)瓣鰓類動物足絲軟硬部分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c) STAR的化學(xué)結(jié)構(gòu)和拉伸后的兩個動態(tài)鍵變化。(d)電生理信號監(jiān)測的示意圖。

  瓣鰓類動物例如貽貝、牡蠣或蛤等可以利用其足絲牢固地附著在巖石表面，從而能在潮漲潮汐過程中生存下來。這種可伸展、能自愈的粘性足絲主要歸咎于其兩相結(jié)構(gòu)特征:兒茶酚-金屬離子配合物作為硬域提供剛度，硫醇或二硫鍵作為軟域耗散能量用以實現(xiàn)可伸展性，動態(tài)配位鍵與二硫鍵賦予其自愈能力，羥基、硫醇或二硫鍵與接觸表面作用從而具有一定粘性。

  受上述瓣鰓類動物足絲結(jié)構(gòu)啟發(fā)，北京師范大學(xué)劉楠教授和博士生葉國共同設(shè)計并合成了一種類皮膚彈性體，該彈性體具有極高的斷裂伸長率（Stretchability＞2300%）和透明性（Transparency＞90%@550 nm），溫和的粘性（Adhesiveness）和快速的自治愈能力（Rapidly self-healing），取這些性能首字母將該彈性體命名為STAR。結(jié)合銀納米線可以制備出兼具透明、可拉伸、自修復(fù)、生物兼容的表皮電極，它可以準確記錄電生理信號并且控制機械手進行人機交互。相關(guān)工作以“A Lamellibranchia-inspired epidermal electrode for electrophysiology”為題發(fā)表在Materials Horizons（IF=12.319）上。

  通過理論計算、單分子力光譜和紅外光譜表明STAR由強的動態(tài)氫鍵和弱的動態(tài)二硫鍵組成，其中動態(tài)鍵的梯度斷裂可以進行耗散能量，動態(tài)氫鍵和二硫鍵的協(xié)同作用讓其兼具可拉伸性、粘性和自愈性。

圖二.STAR的微觀結(jié)構(gòu)表征。（a）動態(tài)二硫鍵交換的雙分子片段的優(yōu)化構(gòu)型與結(jié)合能。（b）具有氫鍵相互作用的雙分子片段的優(yōu)化構(gòu)型與結(jié)合能。（c）單分子力光譜。（d）和（e）斷裂力的統(tǒng)計直方圖。拉伸下（f）氫鍵和（g）二硫鍵的紅外光譜變化。（h）和（i）由AFM測量的楊氏模量圖。

  將STAR與銀納米線結(jié)合，可以制備出透明、可拉伸、自修復(fù)、生物兼容的表皮電極，該電極可以準確記錄電生理信號如心電和肌電信號。此外，該電極還可以控制機械手進行人機交互。這種表皮電極為一套同時兼具透明、可拉伸、自治愈、粘附和生物兼容的表皮電子器件提供了廣泛的應(yīng)用前景。

圖三.電生理信號檢測和人機交互。（a）STAR電極（b）自治愈后的STAR電極以及（c）商用凝膠電極記錄的心電信號。（d）STAR電極（e）自治愈后的STAR電極以及（f）商用凝膠電極記錄的肌電信號。（g-i）STAR電極控制機械手進行人機交互，可以識別不同的手勢：（g）伸手，（h）“ i-love-u”手勢，以及（i）握拳。

  該工作得到了國家自然科學(xué)基金（21903007, 22072006）的資助與支持。文章第一作者為博士生葉國，通訊作者為北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉楠教授，北京化工大學(xué)何程智研究員為共同通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0MH01656J

  課題組網(wǎng)站：http://chem1.bnu.edu.cn/liunan/