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廣西大學(xué)林寶鳳團(tuán)隊(duì) ACS AMI：具有抗菌抗氧化和紫外線防護(hù)功能的電子皮膚用于濕度/汗液傳感
2022-12-24  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，受人體皮膚或動(dòng)物皮膚啟發(fā)，仿生電子皮膚（e-skins）在人機(jī)交互、人工智能、可穿戴傳感器件和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中已被廣泛探索和研究。多數(shù)電子皮膚具有感官功能或者表現(xiàn)出獨(dú)特的性能，然而用于制備它們的原材料可能有毒或有害、導(dǎo)電填料和聚合物之間可能存在兼容性較差等問(wèn)題。有毒物質(zhì)的使用可以通過(guò)皮膚的接觸危害人類(lèi)的健康，因此，天然生物聚合物（如天然多糖、蛋白質(zhì)等）在電子皮膚的應(yīng)用中成為生物相容性導(dǎo)體的重要組成部分，但是其成膜材料機(jī)械性能和阻水性能較差。此外，多數(shù)電子皮膚產(chǎn)品不具備紫外防護(hù)和抗菌功能，它們?cè)谑褂没虼┐鞯倪^(guò)程中，紫外線的輻射和人體汗液滋生的細(xì)菌對(duì)人體皮膚和健康造成了危害。


  針對(duì)上述問(wèn)題，近日，廣西大學(xué)林寶鳳教授團(tuán)隊(duì)采用綠色的原位還原法設(shè)計(jì)和制備了一種電子皮膚，用于濕度/汗液傳感器和可穿戴器件應(yīng)用（圖1）。該研究選用無(wú)毒無(wú)害的天然成分香草醛（Vanillin）作為交聯(lián)劑和還原劑，AgNO3為銀源，聚乙烯醇（PVA）和羧甲基淀粉（CMS）為穩(wěn)定劑和封端劑制備銀納米復(fù)合材料。PVA可顯著改善CMS的機(jī)械性能和阻隔性能。Vanillin具有抗菌抗氧化活性，并具有一定的金屬銀還原能力、避免了有毒化學(xué)試劑的使用，因其結(jié)構(gòu)含有的醛基和酚羥基能夠吸收紫外線使其可以抵御紫外線的輻射。復(fù)合基質(zhì)中基于氫鍵作用和配位作用的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有利于AgNPs和AgNWs的穩(wěn)定。其機(jī)械性能得到了改善（拉伸強(qiáng)度為30.95MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為101.9%，楊氏模量為10.62MPa）。在不同的濕度環(huán)境下可在60 s內(nèi)表現(xiàn)出對(duì)濕度的響應(yīng)（圖2），在93% RH的濕度環(huán)境下對(duì)應(yīng)變具有0~140%的響應(yīng)范圍（圖3），并且能夠記錄一些人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（如手指彎曲、手腕彎曲、手肘彎曲）和人體皮膚出汗時(shí)的電信號(hào)（圖4）。這種電子皮膚具有良好的機(jī)械性能，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌抗氧化活性，并具有出色的紫外線防護(hù)性能，為可穿戴電子皮膚的設(shè)計(jì)提供了一條更綠色、有前景的參考思路和策略。


圖1 （a）電子皮膚的制備流程示意圖；（b）原位還原反應(yīng)和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖；（c）紫外線防護(hù)和抗菌抗氧化示意圖；（d）可穿戴電子器件應(yīng)用；（e）AgNPs和AgNWs的TEM圖像 


圖2 （a）不同濕度下連接LED燈的發(fā)光情況；在60 s內(nèi)對(duì)濕度的響應(yīng)：（b）（c）（d）從低相對(duì)濕度到高相對(duì)濕度時(shí)電流隨時(shí)間的變化；（e）（f）（g）從高相對(duì)濕度到低相對(duì)濕度時(shí)電流隨時(shí)間的變化 


圖3 （a）不同濕度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）不同濕度下的電流-應(yīng)變曲線；（c）（d）（e）（f）在拉伸過(guò)程中不同濕度時(shí)的電流曲線變化 


圖4 人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)電阻信號(hào)和電流信號(hào)：（a）（d）手指彎曲90°；（b）（e）手腕彎曲；（c）（f）手肘彎曲；（g）出汗時(shí)的電流信號(hào)記錄；（h）不同溫度時(shí)的電阻；（i）紫外-可見(jiàn)光光譜曲線


  該工作以“Humidity-/Sweat-Sensitive Electronic Skin with Antibacterial, Antioxidation, and Ultraviolet-Proof Functions Constructed by a Cross-Linked Network”為題發(fā)表在ACS Applied Materials& Interfaces雜志上。論文的通訊作者為廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院林寶鳳教授，第一作者為碩士研究生溫麗珊。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51863001和22175045）和廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2021GXNSFDA220005）的支持。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c15876 

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（責(zé)任編輯：xu）
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