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廣西大學林寶鳳團隊 ACS AMI：具有抗菌抗氧化和紫外線防護功能的電子皮膚用于濕度/汗液傳感

2022-12-24 來源：高分子科技

近年來，受人體皮膚或動物皮膚啟發，仿生電子皮膚（e-skins）在人機交互、人工智能、可穿戴傳感器件和醫療健康監測等應用中已被廣泛探索和研究。多數電子皮膚具有感官功能或者表現出獨特的性能，然而用于制備它們的原材料可能有毒或有害、導電填料和聚合物之間可能存在兼容性較差等問題。有毒物質的使用可以通過皮膚的接觸危害人類的健康，因此，天然生物聚合物（如天然多糖、蛋白質等）在電子皮膚的應用中成為生物相容性導體的重要組成部分，但是其成膜材料機械性能和阻水性能較差。此外，多數電子皮膚產品不具備紫外防護和抗菌功能，它們在使用或穿戴的過程中，紫外線的輻射和人體汗液滋生的細菌對人體皮膚和健康造成了危害。

針對上述問題，近日，廣西大學林寶鳳教授團隊采用綠色的原位還原法設計和制備了一種電子皮膚，用于濕度/汗液傳感器和可穿戴器件應用（圖1）。該研究選用無毒無害的天然成分香草醛（Vanillin）作為交聯劑和還原劑，AgNO₃為銀源，聚乙烯醇（PVA）和羧甲基淀粉（CMS）為穩定劑和封端劑制備銀納米復合材料。PVA可顯著改善CMS的機械性能和阻隔性能。Vanillin具有抗菌抗氧化活性，并具有一定的金屬銀還原能力、避免了有毒化學試劑的使用，因其結構含有的醛基和酚羥基能夠吸收紫外線使其可以抵御紫外線的輻射。復合基質中基于氫鍵作用和配位作用的交聯網絡有利于AgNPs和AgNWs的穩定。其機械性能得到了改善（拉伸強度為30.95MPa，斷裂伸長率為101.9%，楊氏模量為10.62MPa）。在不同的濕度環境下可在60 s內表現出對濕度的響應（圖2），在93% RH的濕度環境下對應變具有0~140%的響應范圍（圖3），并且能夠記錄一些人體關節運動（如手指彎曲、手腕彎曲、手肘彎曲）和人體皮膚出汗時的電信號（圖4）。這種電子皮膚具有良好的機械性能，表現出優異的抗菌抗氧化活性，并具有出色的紫外線防護性能，為可穿戴電子皮膚的設計提供了一條更綠色、有前景的參考思路和策略。

圖1 （a）電子皮膚的制備流程示意圖；（b）原位還原反應和交聯網絡示意圖；（c）紫外線防護和抗菌抗氧化示意圖；（d）可穿戴電子器件應用；（e）AgNPs和AgNWs的TEM圖像

圖2 （a）不同濕度下連接LED燈的發光情況；在60 s內對濕度的響應：（b）（c）（d）從低相對濕度到高相對濕度時電流隨時間的變化；（e）（f）（g）從高相對濕度到低相對濕度時電流隨時間的變化

圖3 （a）不同濕度下的應力-應變曲線；（b）不同濕度下的電流-應變曲線；（c）（d）（e）（f）在拉伸過程中不同濕度時的電流曲線變化

圖4 人體關節的運動電阻信號和電流信號：（a）（d）手指彎曲90°；（b）（e）手腕彎曲；（c）（f）手肘彎曲；（g）出汗時的電流信號記錄；（h）不同溫度時的電阻；（i）紫外-可見光光譜曲線

該工作以“Humidity-/Sweat-Sensitive Electronic Skin with Antibacterial, Antioxidation, and Ultraviolet-Proof Functions Constructed by a Cross-Linked Network”為題發表在ACS Applied Materials& Interfaces雜志上。論文的通訊作者為廣西大學化學化工學院林寶鳳教授，第一作者為碩士研究生溫麗珊。該研究得到國家自然科學基金（51863001和22175045）和廣西自然科學基金重點項目（2021GXNSFDA220005）的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c15876

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（責任編輯：xu）

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