南京林业大学黄超伯/熊燃华团队《ACS Nano》：用于植物/人体生理电信号检测的仿生超薄自愈合表皮电极

2024-10-12 来源：高分子科技

可呼吸表皮电极与被测物体的无缝贴合是影响可穿戴器件传感灵敏度和穿戴舒适性的重要环节。利用具有强氢键作用的自愈合聚合物构筑多孔纳米纤维材料可保证表皮电极的可呼吸性与高顺形自粘附性。所以自愈合纳米纤维材料是构建超薄透气、高顺形贴合表皮电极的理想材料。然而，由于纤维之间自愈合聚合物的强氢键相互作用，导致自愈纳米纤维膜不能稳定存在。因此，开发自愈合、自粘附、高顺形的纳米纤维表皮电极仍然是一个重大挑战。

图1 高稳定自愈合纳米纤维的结构设计及人体/植物可穿戴应用

近期，南京林业大学黄超伯/熊燃华团队提出了分级限域策略制备了具有自粘附作用的超薄自愈纳米纤维膜（图2a-d）。分级限域策略结合了分子限域和空间限域，PPG-mUPy聚合物纺丝液中引入的聚氨酯提供了初步的分子限域作用，这在一定程度上限制了PPG-mUPy分子链间的超分子相互作用，确保了自愈合纳米纤维的初步形成（图2e-f）。此外，在纳米纤维膜的形成过程中引入了空间限制策略，这在很大程度上克服了纳米纤维之间的分子间相互作用，并确保了PPG-mUPy/PU纳米纤维膜微观纤维结构的稳定性（图2g）。这项研究工作克服了自粘附/自愈合纳米纤维膜无法稳定存在的难题，打破了自粘附/自愈合特性与纳米纤维膜多孔结构间的根本矛盾。2024年10月10日，该工作以“Ultrathin self-healing nanofibrous membrane with hierarchical confined structure for biomimetic epidermal electrode”为题发表在《ACS Nano》上。文章的第一作者为南京林业大学朱苗苗副教授，通讯作者为黄超伯教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2 自粘附/自愈合纳米纤维电极的制备及成型机理

进一步地，通过在PPG-mUPy/PU纳米纤维膜修饰银纳米线，进一步构建了具有类神经网络状结构的纳米纤维电极。这种高度互联的网络结构使其具有优异的导电性。值得一提的是，与通过静电吸附获得的传统复合纤维电极不同，该纳米纤维电极由于PPG-mUPy分子之间的强氢键而具有良好的稳定性，这使得银纳米线能够稳定地固定在纳米纤维膜上。所制备的表皮电极可以稳定高度顺形的粘附在皮肤或植物上，以实现人体/植物实时的生理电信号传感（图3）。

图3 纤维表皮电极在人体和植物上的可穿戴传感应用

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c08617

中比先进生物医用材料联合实验室介绍：https://www.x-mol.com/groups/nfu-ugent

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（责任编辑：xu）

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