人體皮膚除了具有保護(hù)、分泌和呼吸的基本功能,還是人體感知、交互和與物質(zhì)世界相互作用的重要體感系統(tǒng)。通過模仿天然皮膚的特征和功能,仿生電子皮膚的研發(fā)對于人機(jī)交互和人工智能的發(fā)展具有重要意義。近年來,一些具有高靈敏度、多功能的電子皮膚已有了不少研究,但電子皮膚的舒適性、環(huán)保性和抗菌性卻鮮有關(guān)注,這在很大程度上阻礙了電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用。
當(dāng)前多數(shù)高性能的電子皮膚都是以膜作為電極或基質(zhì),透氣性差,這可能會引起皮膚不適,甚至引發(fā)炎癥和瘙癢。其長期與人體皮膚接觸,還是微生物生長的良好媒介,從而易引起細(xì)菌感染。此外,大部分電子皮膚材料不是一次性的,在使用壽命結(jié)束時可能會成為電子垃圾,甚至危害人體或污染環(huán)境。因此,理想的電子皮膚必須具有良好的透氣性、抗菌性和生物可降解性,這樣才能使電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用成為可能。
近日,中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于全納米纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)的透氣、可生物降解和抗菌的電子皮膚,該皮膚是通過將聚乳酸-乙醇酸(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)分別作為起電層和基底,銀納米線(Ag NW)作為中間層,使其具有三維微納多孔結(jié)構(gòu),有利于與外界進(jìn)行熱濕傳遞。通過調(diào)節(jié)Ag NW的濃度以及PVA和PLGA的搭配,可以分別調(diào)控電子皮膚的抗菌和生物降解能力。該電子皮膚可以實(shí)現(xiàn)對全身生理信號和關(guān)節(jié)運(yùn)動的實(shí)時自動監(jiān)測。這項(xiàng)工作為多功能電子皮膚的研發(fā)提供了新的策略,使電子皮膚在實(shí)用性上有了巨大的飛躍。該研究以題為“A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
【電子皮膚的結(jié)構(gòu)與成分】
電子皮膚由三個功能層組成,包括用于接觸帶電和防水的頂部PLGA,用于導(dǎo)電電極和抗菌劑的中間Ag NW,用于柔性基材和皮膚接觸的底部PVA(圖1B)。PLGA和PVA納米纖維網(wǎng)絡(luò)都是通過簡便的靜電紡絲法制備的,其微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和直徑分布可通過調(diào)節(jié)電紡絲參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。上層疏水性PLGA可有效防止水?dāng)U散到電極上,而作為底層的親水性PVA可迅速吸收人體的熱量和汗水并及時擴(kuò)散到外部。中間的Ag NW提升了電子皮膚的熱穩(wěn)定性,且在PVA納米纖維的頂部形成一個連續(xù)的滲濾網(wǎng)絡(luò)(圖1B),從而提供具有高電導(dǎo)率的連續(xù)電子傳輸路徑和良好的機(jī)械柔韌性。由多層堆疊的納米纖維網(wǎng)絡(luò)使電子皮膚具有適當(dāng)?shù)目衫煨裕蟮谋缺砻娣e,出色的透氣性和較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外,氣體和水分子很容易穿過纖維間的毛細(xì)管通道,以調(diào)節(jié)人體皮膚與外部環(huán)境之間的熱濕平衡。
【電子皮膚的舒適性】
對于直接與皮膚接觸的電子設(shè)備,首要考慮的是它們的舒適性,主要包括柔韌性和透氣性。PLGA的拉伸強(qiáng)度和韌性均高于PVA,更適合作為表面材料(圖2A)。Ag NWs和PVA納米纖維之間的界面附著力有助于提高Ag NWs / PVA納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度。
多層堆疊的納米纖維網(wǎng)絡(luò)中有許多微納孔隙,使氣體和水分子易于通過纖維間通道傳輸,結(jié)果使電子皮膚的透氣性(?120 mm/s)遠(yuǎn)比商用牛仔褲要高(?10 mm/s)。此外,電子皮膚的透氣性隨納米纖維膜厚度的增加而降低(圖2B),但隨著壓差的增加而提高(圖2C)。該電子皮膚可以根據(jù)內(nèi)部和外部條件及時、動態(tài)和可逆地交換、平衡氣體和水分子,從而實(shí)現(xiàn)人體的熱濕舒適性(圖2C)。
【可生物降解電子皮膚的抗菌性】
抑制區(qū)和菌落計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,帶有Ag NW電極的電子皮膚具有良好的抗菌性能。PLGA / Ag NWs / PVA納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制區(qū)域的直徑分別為10和12 mm(圖3A),瓊脂培養(yǎng)皿上兩種細(xì)菌的殘留菌落明顯少于原始菌落(圖3B)。該電子皮膚對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌效率分別達(dá)到54%和88%(圖3C)。
隨著Ag NW添加量的增加,抗菌性能可以逐漸提高。生物降解是另一個主要特性,可以使電子皮膚在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)揮作用,然后物理降解為無害成分。PLGA和PVA是眾所周知的合成生物可降解材料,可以在一段時間內(nèi)分解。結(jié)合PVA的快速降解和PLGA的緩慢降解,PLGA / Ag NWs / PVA表現(xiàn)出合適的生物降解性,其降解時間可根據(jù)PLGA或PVA膜的厚度進(jìn)行調(diào)整。
總結(jié):該研究開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的集透氣性、生物降解性和抗菌性為一體的自驅(qū)動電子皮膚,不僅具有舒適、安全、環(huán)保的優(yōu)勢,還具有能量收集和高度靈敏的功能,能夠?qū)崿F(xiàn)人體全身生理和關(guān)節(jié)運(yùn)動信號的監(jiān)測,有助于推動電子皮膚在人機(jī)界面和人工智能中更實(shí)際、更環(huán)保的應(yīng)用。
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