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湖北工業(yè)大學(xué) EnSM：用于自供電智能交互系統(tǒng)的血清白蛋白水凝膠
2024-03-08  來(lái)源：高分子科技

  用于人體健康監(jiān)測(cè)的電子學(xué)發(fā)展很大程度依賴于材料的特性，對(duì)于柔性儲(chǔ)能器件而言，使用人造材料作為器件的柔性基底面臨造成潛在胃腸道疾病等健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，天然來(lái)源的動(dòng)物蛋白材料具有廣泛的應(yīng)用前景，但其合成中潛在的毒性成分對(duì)其在醫(yī)療保健檢測(cè)中的應(yīng)用造成了安全隱患。因此，開(kāi)發(fā)一種高輸出性能且生物相容性優(yōu)異的蛋白質(zhì)材料用于智能化人體健康監(jiān)測(cè)是當(dāng)下研究的迫切需求。


  近日，湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院張一帆博士，上海電機(jī)學(xué)院陳俊麗博士，廈門(mén)大學(xué)海洋學(xué)院劉向陽(yáng)教授在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域重要期刊《Energy Storage Materials》發(fā)表了題為《Serum albumin hydrogels designed by protein Re-association for self-powered intelligent interactive systems》的研究論文。該研究通過(guò)對(duì)牛血清蛋白（BSA）的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，制備了一種同時(shí)兼具優(yōu)異的機(jī)械可逆性、生物相容性、生物降解性、抗凍性和抗菌性能的蛋白質(zhì)基水凝膠，并成功將其應(yīng)用于人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)及多通道遠(yuǎn)程信號(hào)的采集和對(duì)機(jī)械設(shè)備的操控。該水凝膠利用蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用和多臂烯烴類衍生物與蛋白質(zhì)分子發(fā)生的巰基—烯點(diǎn)擊反應(yīng)制備而成（圖1）。 


圖1 基于蛋白質(zhì)相互作用和巰基點(diǎn)擊反應(yīng)相結(jié)合的蛋白質(zhì)水凝膠體系


  其中，多臂烯烴類衍生物將BSA分子緊密結(jié)合在一起，而蛋白質(zhì)中大量類似彈簧的α-螺旋結(jié)構(gòu)給予水凝膠材料良好的機(jī)械性能（圖2）。蛋白質(zhì)分子的重構(gòu)提供了一種新型穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水凝膠的理想特性。 


圖2 BSA水凝膠的成型機(jī)制


  與此同時(shí)，由于水凝膠對(duì)壓力和電信號(hào)的響應(yīng)，進(jìn)一步研究了水凝膠機(jī)械性能和電學(xué)性能之間的轉(zhuǎn)換，開(kāi)發(fā)了一種基于BSA水凝膠的信號(hào)采集系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的無(wú)線實(shí)時(shí)采集，從而能夠?qū)μ囟ㄊ謩?shì)信號(hào)進(jìn)行多通道信號(hào)獲。▓D3）。 


圖3 多通道遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)


  除此之外，該研究利用BSA水凝膠和絲素蛋白薄膜（SF）得到了一種單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），并開(kāi)發(fā)了基于全蛋白TENG的智能人機(jī)交互系統(tǒng)（HMIS）；SF/BSA的HMIS能夠在PC端上實(shí)現(xiàn)單指力對(duì)機(jī)器人手勢(shì)的操作以及電信號(hào)和手勢(shì)的識(shí)別（圖4）。未來(lái)有望在癱瘓患者的康復(fù)訓(xùn)練、遠(yuǎn)程機(jī)械操作和殘疾人的手語(yǔ)翻譯等實(shí)際領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 


圖4 HMIS電路原理圖及控制系統(tǒng)和機(jī)械手的照片


  湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院是論文第一單位，該論文成果得到了國(guó)家自然科學(xué)青年基金、湖北省教育廳科研項(xiàng)目、綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103266

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（責(zé)任編輯：xu）
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