湖北工业大学 EnSM：用于自供电智能交互系统的血清白蛋白水凝胶

2024-03-08 来源：高分子科技

用于人体健康监测的电子学发展很大程度依赖于材料的特性，对于柔性储能器件而言，使用人造材料作为器件的柔性基底面临造成潜在胃肠道疾病等健康风险。因此，天然来源的动物蛋白材料具有广泛的应用前景，但其合成中潜在的毒性成分对其在医疗保健检测中的应用造成了安全隐患。因此，开发一种高输出性能且生物相容性优异的蛋白质材料用于智能化人体健康监测是当下研究的迫切需求。

近日，湖北工业大学材料与化学工程学院张一帆博士，上海电机学院陈俊丽博士，厦门大学海洋学院刘向阳教授在储能材料领域重要期刊《Energy Storage Materials》发表了题为《Serum albumin hydrogels designed by protein Re-association for self-powered intelligent interactive systems》的研究论文。该研究通过对牛血清蛋白（BSA）的蛋白质结构重构，制备了一种同时兼具优异的机械可逆性、生物相容性、生物降解性、抗冻性和抗菌性能的蛋白质基水凝胶，并成功将其应用于人机交互系统，实现了人体运动信号及多通道远程信号的采集和对机械设备的操控。该水凝胶利用蛋白质与蛋白质之间的相互作用和多臂烯烃类衍生物与蛋白质分子发生的巯基—烯点击反应制备而成（图1）。

图1 基于蛋白质相互作用和巯基点击反应相结合的蛋白质水凝胶体系

其中，多臂烯烃类衍生物将BSA分子紧密结合在一起，而蛋白质中大量类似弹簧的α-螺旋结构给予水凝胶材料良好的机械性能（图2）。蛋白质分子的重构提供了一种新型稳定的网络结构，实现了水凝胶的理想特性。

图2 BSA水凝胶的成型机制

与此同时，由于水凝胶对压力和电信号的响应，进一步研究了水凝胶机械性能和电学性能之间的转换，开发了一种基于BSA水凝胶的信号采集系统，基于该系统可以实现对人体运动信号的无线实时采集，从而能够对特定手势信号进行多通道信号获取（图3）。

图3 多通道远程运动识别系统

除此之外，该研究利用BSA水凝胶和丝素蛋白薄膜（SF）得到了一种单电极摩擦纳米发电机（TENG），并开发了基于全蛋白TENG的智能人机交互系统（HMIS）。基于SF/BSA的HMIS能够在PC端上实现单指力对机器人手势的操作以及电信号和手势的识别（图4）。未来有望在瘫痪患者的康复训练、远程机械操作和残疾人的手语翻译等实际领域中得到应用。

图4 HMIS电路原理图及控制系统和机械手的照片

湖北工业大学材料与化学工程学院是论文第一单位，该论文成果得到了国家自然科学青年基金、湖北省教育厅科研项目、绿色轻工材料湖北省重点实验室的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103266

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（责任编辑：xu）

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