在健康管理領域，傳統(tǒng)電子器件的剛性問題一直讓人頭疼，不過hydrogel-based柔性電子組件的出現(xiàn)帶來了轉機。今天要給大家介紹的，就是一款基于三重響應水凝膠的超厲害的仿皮膚多功能3D打印柔性傳感器，它在皮膚界面電子健康管理方面表現(xiàn)超出色！這一研究成果以“Skin-Inspired, Multifunctional, and 3D-Printable Flexible Sensor Based on Triple-Responsive Hydrogel for Signal Conversion in Skin Interface Electronics Health Management”發(fā)表在Small雜志上。

研究背景

隨著人們對健康管理的重視度不斷提升，以人體為中心的表皮電子設備愈發(fā)重要。這些設備的功能組件需要像人類皮膚一樣，既能感知動態(tài)和靜態(tài)刺激，又要具備良好的柔韌性 。然而，設計多層傳感器困難重重，不僅設備制造過程復雜，各層之間的結合也不好處理，而且很難達到與人體皮膚相匹配的彈性模量（0.1-1MPa） 。此外，像傳統(tǒng)的供電設備和治療設備，用起來也不太舒服。所以，開發(fā)單層的皮膚接口設備成了解決問題的關鍵方向，而使用多刺激響應水凝膠，有望讓這些單層設備實現(xiàn)多功能化。

現(xiàn)有的水凝膠研究雖然取得了一些進展，但仍然面臨不少挑戰(zhàn)。比如，有些水凝膠材料可能存在毒性，會對人體產生不良影響；水凝膠網絡和填充材料之間的相互作用，會限制功能的集成；傳統(tǒng)的制造方法難以實現(xiàn)大規(guī)模生產，也不容易做出復雜的結構；還有一些加工技術需要昂貴又復雜的設備，耗時還長，不適合日常使用 。因此，開發(fā)一種生物相容性好、可3D打印、多功能的水凝膠迫在眉睫，而本文中的NMAL水凝膠正是這樣的 “潛力股”。

研究成果

1，制備與結構

NMAL 水凝膠的制備過程并不復雜，它是由殼聚糖、聚乙烯醇（PVA）形成的物理網絡，與聚（異丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺）（P (NIPAM -co-AM)）的化學網絡相互交織，再加上信號轉換填料（共晶鎵銦（EGaIn）、Ti3C2 MXene、聚苯胺（PANI））構成的。在制備過程中，通過超聲輔助分散等方法，讓各種材料均勻混合。經過優(yōu)化的交聯(lián)過程和凍融循環(huán)后，就能得到性能優(yōu)異的NMAL水凝膠。從結構上看，它的表面有微米級的褶皺，內部是致密的多孔結構，這種結構不僅讓它柔韌性十足，還增強了吸水性。而且，內部的功能填料分布均勻，為其出色的性能打下了堅實基礎。

2，力學性能

NMAL 水凝膠的力學性能十分出色。它的拉伸性超強，在50N 的外力作用下，拉伸長度能達到原來的好幾倍，延伸率高達480% ，斷裂強度約為580kPa ，在循環(huán)加載下也能保持良好的恢復和能量吸收能力。更厲害的是，即使經過凍融循環(huán)，在低溫環(huán)境下它依然能保持良好的變形能力，不會變脆。它的楊氏模量與人體皮膚相近，韌性也很好，能有效吸收能量，這些特點讓它在與人體接觸時非常舒適，大大提高了佩戴體驗。

3，應變傳感能力

在集成健康管理系統(tǒng)里，運動檢測至關重要，而 NMAL 水凝膠傳感器在這方面表現(xiàn)得十分出色。它對人體運動信號的響應極為敏感，電阻變化明顯又迅速。在 100% 應變下循環(huán)1000次后，電阻變化仍能保持在200%以上 。而且，它的電容也會隨著微小的壓縮發(fā)生顯著變化，能輕松檢測到日常低強度力量引起的微小變形。把它戴在身上，能精準監(jiān)測下頜運動、吞咽力量、手肘、手腕、手指關節(jié)以及膝關節(jié)的運動，幫助我們評估自身的健康狀況。

4，非應變傳感能力

除了應變傳感，NMAL 水凝膠還能感知溫度和化學信號。它對溫度的變化十分敏感，在20-40°C范圍內，靈敏度約為?2.9%°C?1，在0-20°C范圍內，靈敏度更是高達≈65% °C?1 。同時，它也是個優(yōu)秀的pH傳感器，在pH值為1-11的范圍內，靈敏度接近?13.68mVpH?1。有了這些能力，它就能監(jiān)測人體體溫的變化，還能檢測周圍環(huán)境的溫度，甚至能通過檢測汗液、傷口滲出液等體液的pH值，來判斷身體是否出現(xiàn)異常。

5，能量管理能力

NMAL 水凝膠還有一項很實用的技能 —— 能量收集。研究人員把它和紙粘在一起，做成了單電極摩擦納米發(fā)電機（TENG）。這個 TENG 能通過與衣物摩擦產生并收集電荷，在接觸分離頻率增加時，輸出的電流和電壓也會增大。它能實現(xiàn)高達83mWm?2的功率輸出，甚至能點亮LED燈泡，這意味著它可以為一些可穿戴電子設備供電，減少對外部電源的依賴。

6，皮膚集成應用

在皮膚集成應用方面，NMAL 水凝膠同樣表現(xiàn)優(yōu)異。它具有良好的抗菌性能，其中的金屬離子和殼聚糖能有效抑制細菌生長，而且還能通過光熱效應進一步殺菌，最大殺菌率超過99% 。同時，它的生物相容性也非常好，對人體細胞的毒性很低，與小鼠皮膚和人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）都能和諧共處。另外，憑借良好的導電性和與皮膚的貼合性，它還能檢測表面肌電圖（sEMG）信號，在智能健身領域大顯身手，比如監(jiān)測運動時肌肉和關節(jié)的狀態(tài)，為運動者提供個性化的訓練建議。

總結展望

這款3D可打印的多刺激響應水凝膠——NMAL，真的是太厲害了！它就像一個全能小衛(wèi)士，能同時監(jiān)測靜態(tài)和動態(tài)的生理信號。作為導電介質，它對關節(jié)運動有快速的電阻響應，還能捕捉肌肉電信號；利用自身對溫度和質子的敏感性，它又能監(jiān)測體溫和 pH 值的變化；再加上出色的抗菌性能和能量收集能力，以及可打印、可定制的特點，讓它在健康管理領域有著巨大的應用潛力。

在未來，NMAL 水凝膠有望與物聯(lián)網（IoT）、人工智能（AI）等技術相結合，打造出智能健身數(shù)據(jù)分析平臺，為健身愛好者提供更全面、準確的健身指導。相信在科研人員的不斷努力下，這種水凝膠會給我們的健康管理帶來更多驚喜，讓我們一起期待吧！

文章來源：靈柔墨印