多功能柔性电子皮肤最新进展梳理

材料人编辑小单 3年前 (2022-03-15) 4974浏览

一、【导读】

皮肤是人体最大的器官，在人类与外部环境的交互中起着重要作用。随着仿生学、机器人学等学科的发展，可以模仿人体皮肤感知身体环境、监测人类活动的柔性电子皮肤正在迅速发展，并引起广泛的关注。柔性电子皮肤是一种新型仿人类皮肤的柔性传感器系统，通常采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）、硅胶等本身具有柔性的材料作为柔性衬底，从而实现宏观结构上的柔性，同时能采用不同类型的微型传感器将外部的刺激转化为电信号，以实现医疗检测、健康监测等更加真实复杂的多尺度功能感知。

二、【最新成果掠影】

1、Science：具有适应性和透气性电子膜的可拉伸范德华薄膜

传统的硬电子材料在导电性、机械响应、渗透性和环境适应性方面与软生物组织表现出内在的不匹配。通过构筑为薄片结构，刚性材料能够变得具有柔性，但是这种刚性材料难以很好的进行面内旋转或者扭曲过程，因此由于存在这种缺点，刚性材料难以作为曲面或者活动表面的覆盖物。为了解决该问题，近期加州大学洛杉矶分校段镶锋(Xiangfeng Duan)和黄昱(Yu Huang)团队通过旋涂半导体纳米片分散液的方式，构筑了10 nm的范德华薄膜薄片。其中半导体材料片之间通过van der Waals相互作用堆叠形成，构建的薄层纳米片材料具有之间具有滑动和旋转自由度确保了机械延展性和可加工性，而且纳米通道的渗透网络使其具有良好的渗透性和透气性。由于具有这些优异性能，薄膜材料非常适合用于生物电子薄膜材料，能够作为电子皮肤监测和放大各种生物电信号，比如心电信号和脑电信号。

图1 旋涂MoS₂薄膜（VDWTF（范德华薄膜））、气相沉积法构建MoS₂薄膜（CVDTF）及其性能表征。 (A) SEM 和 (B) TEM 图像显示了由交错的 2D 纳米片组装而成的 VDWTF。(C 和 D) (C) VDWTF 和 (D) CVDTF 漂浮在水面上的照片。(E) 独立式 VDWTF 的应力-应变曲线。拉伸载荷会导致 VDWTF 中的 2D 纳米片相互滑动或旋转，从而产生异常的拉伸性。(F) VDWTF 在不同拉伸应变下的照片。(G) VDWTF 和 CVDTF 在 PDMS 基板上的电阻-应变曲线。（H 到 K）SEM 图像显示了具有 [(H) 和 (I)] VDWTF 或 [(J) 和 (K)] CVDTF 的不同配置的 4.3 微米直径二氧化硅微球之间的接触界面。比例尺，2 μm。(L) VDWTF（上）和 CVDTF（下）的水接触角。(M) VDWTF 悬挂在带有圆孔的聚酰亚胺基板上的光学显微照片，证实了独立式 VDWTF 的结构稳健性。(N) 通过不同厚度的 VDWTF 的水蒸气传输与经皮失水量 (TEWL) © 2022 AAAS

2、Science Advances：可以促进伤口愈合的可编程、皮肤温度激活的机电协同敷料

机械调节和电刺激在用于控制伤口愈合的皮肤组织工程中具有很大的前景。然而，设备操作和刺激实施的复杂性仍然是临床应用中的一个巨大挑战。近日，西安电子科技大学林媛、姚光、黄林研究团队提出了一种可编程和皮肤温度激活的机电协同伤口敷料，由用于伤口收缩的基于形状记忆合金的机械超材料和用于产生电场的抗菌驻极体薄膜组成。这种策略在大鼠身上成功地证明了线性和圆形伤口分别在短至4天和8天的时间内实现了有效的伤口愈合，与空白对照组相比，伤口闭合率显著提高了50%以上。优化设计的机电协同刺激可以调节伤口微环境，加速愈合代谢，促进伤口闭合，抑制感染。这项工作在可编程温度响应、无电池机电协同生物医学设备的背景下提供了一种有效的伤口愈合策略。

图2 机电协同敷料（EMSD）的工作原理和特性。(A) EMSD-L 和 EMSD-C 的整体示意图（上）。器件组件、基本材料和多层结构的分解图（下）。(B)可编程和皮肤温度激活 EMSD 治疗伤口的工作原理。(C) EMSD的初始状态（左）、扭曲状态（中）和伤口治疗实验装置（右）的光学图像。(D)多层结构的俯视和侧视三维显微镜图像。(E) 沿 (D) 中粉红色线的高度剖面，显示多层组件的高度。(F)在常规细胞培养皿和Ecoflex上培养的染色成纤维细胞的荧光图像。(G) 3天归一化细胞活力的比较，显示封装设备具有出色的生物相容性。(G)中的所有数据均表示为平均值±SD © 2022 The Authors

3、Advanced Materials：具有可调谐光学特性的材料用于健康监测

可穿戴表皮传感器的进步彻底改变了捕获和测量生理信号以进行健康监测的方式。一个主要挑战是以方便的方式将生理信号转换为易于读取的信号。可穿戴表皮传感器的一种可能性是基于可见读数。有一系列材料的光学特性可以通过温度、pH、光和电场等参数进行调整。近期，西安交通大学生命科学学院徐峰教授课题组发表了一篇综述，涵盖并重点介绍了一组具有可调光学特性的材料，并将它们集成到用于健康监测的可穿戴表皮传感器中。总结和讨论了这些材料用于可穿戴表皮传感器的最新进展、制造和应用。最后，提出了下一代可穿戴设备的挑战和前景。为后续可穿戴表皮传感器的研究提供了参考。

4、Advanced Materials：用于脉搏波监测的可穿戴压力传感器

心血管疾病仍然是全球死亡的主要原因,柔性传感技术和可穿戴脉压传感器快速发展并已广泛用于长期和实时的心血管状态监测。由于其引人注目的特性，包括重量轻、成本效益高、佩戴舒适和对脉压的高灵敏度，生理脉搏波形可以通过灵活的脉搏传感器精确、连续地监测，用于可穿戴健康监测。近日，加州大学洛杉矶分校生物工程系陈俊教授课题组发表了一篇综述，概述了用于人体脉搏波监测的可穿戴压力传感器，重点介绍了脉搏波监测和心血管状况评估中的转导机制、微工程结构和相关应用。文章首先概述了获取与心血管系统相关的生理和病理信息的概念和方法。动脉脉搏波的生物力学和各种可穿戴压力传感器的工作机制，包括摩擦电、压电、磁弹性、压阻、电容和光学传感器，也受到系统性的争论。然后，总结了基于微工程结构化设备的脉搏波测量的示例性应用。最后，讨论了可穿戴脉压传感器面临的机遇和挑战，以及它们作为个性化医疗保健可穿戴智能系统的潜力。

5、Advanced Materials：用于人眼连续血糖检测的隐形眼镜

连续血糖监测(CGM)可用于实时检测体液中的血糖水平，如泪液、汗液和组织液。CGM设备可以检测低血糖和高血糖，能够快速治疗严重的副作用，如震颤、说话困难、精神错乱、意识丧失、癫痫发作等。而用于连续血糖监测(CGM)的智能隐形眼镜具有巨大的临床应用潜力，但到目前为止，要准确的检测葡萄糖浓度，依然存在很大挑战。近期，韩国浦项理工大学Sei Kwang Hahn课题组报道了一种眼部葡萄糖浓度检测传感器，通过使用纳米多孔水凝胶固定化的双金属纳米催化剂，证明了可对糖尿病兔进行长期稳健的连续血糖监测(CGM)。在葡萄糖氧化酶的氧化还原反应后，纳米催化剂促进了过氧化氢的快速分解和纳米颗粒介导的电荷转移，通过纳米多孔水凝胶的快速膨胀，大大改善了扩散性。在对糖尿病家兔的实验中，智能隐形眼镜可以检测到与血糖仪和CGM设备测量的血糖水平相一致的泪液葡萄糖水平，反映出浓度的快速变化而不存在滞后。该眼部葡萄糖检测传感器具有高灵敏度、快速响应时间、低检测限、低滞后性、传感器预热时间快等优点。人体上的CGM也证明了智能隐形眼镜用于进一步临床应用的可行性。

图5 用于糖尿病监测的智能隐形眼镜示意图。纳米多孔水凝胶中双金属纳米催化剂（BiNCs）的结构和葡萄糖传感机制。水凝胶中葡萄糖氧化酶内的黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 与扩散的葡萄糖和O2发生氧化还原反应，然后还原为FADH2。H2O2在HA-Au@Pt BiNCs表面快速分解并产生两个电子，通过纳米粒子介导的电荷转移将其快速传输到电极表面。水凝胶中的纳米孔对于反应物质的快速扩散和具有超吸收性能的快速膨胀起着重要作用 © 2022 Wiley

6、Advanced Materials：基于热敏半导体的全柔性智能热触摸面板

可穿戴触摸面板是一种典型的柔性电子设备，可以识别和反馈手指触摸和运动的信息。可穿戴式触摸面板要求能够准确、快速地监测手指运动的信号，以及承受各种类型的变形的能力。高性能热敏电阻材料是关键的功能组件之一，但到目前为止，一个长期存在的瓶颈是：无机半导体通常是脆性的，而有机半导体的电学性能非常低。复旦大学卢红亮教授和张卫教授课题组联合中国科学院上海硅酸盐研究所史迅教授课题组合作报道了一种采用塑性Ag₂S的高性能柔性温度传感器，其超高温度电阻系数为−4.7%K⁻¹，分辨率为0.05 K，快速响应/恢复时间为0.11/0.11s。在力刺激测试中，温度传感器显示出良好的耐久性，没有性能损伤或损失。此外，作者设计了由16×10的Ag₂S薄膜温度传感器阵列组成的柔性印刷电路板，以及深度学习算法，用于实时感知手指触摸信号，并在应用程序上进行汉字和字母的智能反馈。这些结果表明高性能柔性无机半导体可以广泛应用于柔性电子学领域。

图6基于硫化银半导体的全柔性智能温度传感器阵列。a)金属、无机和有机半导体的电阻|TCR|与热导率κ的温度系数的绝对值。b)基Ag₂S的可穿戴式触摸面板的智能无线传输演示。插图显示，用手指触摸基于Ag₂S的温度传感器阵列的汉字识别结果。c)基于塑料硫化银半导体的柔性温度传感器阵列的爆炸视图示意图。d)在人手臂上镶嵌的16×10柔性温度传感器阵列的照片。插图显示，具有体积和薄膜形式的硫化银被变形为各种形状而不断裂。e)热触摸面板中的手指轨迹识别模型。f)通过将柔性印刷电路板(FPCB)与基于Ag₂S的传感器集成而拍摄的全柔性触摸屏的照片 © 2022 Wiley

7、Advanced Functional Materials ：仿生排汗电子皮肤，用于舒适可靠的多模式健康监测

电子皮肤（e-skins）在健康监测和疾病诊断方面获得了极大的关注。然而，皮肤/电子皮肤界面处积累的汗水会影响长期监测的舒适性、可靠性和保真度。针对该问题，复旦大学李卓研究员和华中科技大学吴豪研究员团队受自然界主动液体传输现象的启发，报道了一种基于仿生金/热塑性聚氨酯/纤维素膜（Au/TPU/CM）的电子皮肤，它可以通过梯度孔隙率的组合立即从界面“抽吸”汗水和表面能梯度。所得电极具有良好的导电性（2.68 Ω sq-1）、优异的柔韧性（在 10 000次弯曲循环和2500次拉伸循环后电阻仅波动1.1%和0.4%），以及出色的水蒸气透过率和水蒸发率（分别是棉织物的2.2和7.1 倍）。超快排汗能力，不仅提高了佩戴舒适度，还最大限度地减少了因排汗引起的皮肤水分和温度的测量误差，消除了传感器阵列短路的风险，降低了噪音水平，显着提高了电子皮肤中多模式传感测量的准确性和可靠性。

8、ACS Nano：用于人机交互的无信号融合的双模态触觉传感器

具有多模态传感能力的触觉传感器是应用于机器人和智能假肢的人造皮肤的基础。这些双模态传感器可以产生响应温度和压力的信号，比如电阻、电容、电压或电流的相对变化，这些信号往往会被融合，从而阻碍了其在实时监测温度和压力时具有必要的分辨能力，因此需要后续的信号分离算法或计算。然而，在不涉及复杂算法和计算的情况下，直观和无干扰的读取多个触觉信号仍然是一个挑战。对此，中科院纳米能源与系统研究所潘曹峰课题组通过结合光学和电子学不同的传感机制，设计了一种无任何干扰的压力温度双模态触觉传感器，实现了压力和温度的同时独立传感，消除了信号分离算法和计算。该双模态传感器由ZnS−CaZnOS和PEDOT: PSS组成，可以分别将压力和温度转换为光信号和电信号。该传感器在21-30℃范围内具有高达0.6%℃^-1的灵敏度，力学检测极限低至2 N。该设备的无干扰和发光特性允许在机器人中进行加密通信、温度和压力监测以及无线信号传输的人机交互应用中。