人体皮肤既是天然的巩固屏障，又是高度灵敏的感觉感受器，能维护人体免受外界损害，并能感知外界环境的各种纤细影响。受这些特性的启示，许多相似人工皮肤的电子资料被研讨用于软机器人、人工智能、生物医学假体和可穿戴电子设备。但是，在仿照人类皮肤共同的生物结构和传感特性方面仍面临着巨大的应战。人体皮肤是柔软的(如杨氏模量在0.5 ~ 1.95 MPa之间)、可拉伸的(140 ~ 180%)、富水性(如70%以上)、可呼吸的生物安排器官。但是，迄今为止报导的大大都人工皮肤资料(如弹性体和纺织品)都具有高模量，不含水，不透气，这与人类皮肤的物理和机械特性不同。在许多工程资猜中，水凝胶因其与人体安排相似，即柔软、富水性、透气性好，具有优胜的生物相容性。用于人工皮肤的惯例水凝胶主要是压阻型。压阻元件的作业原理：水凝胶是经过改动外界压力下的电阻，将外界的压力、压力或振荡等影响转化为电信号。
根据此，华南理工大学宁成云、周蕾、于鹏团队规划了高强度、自供能的压电聚丙烯腈-聚偏氟乙烯(PAN-PVDF)水凝胶，用于检测温文的生理信号。因为分子间氰基(CN)在PAN链上的彼此效果构成了偶极-偶极彼此效果，所以PAN水凝胶十分坚韧。选用PVDF作为自供电电源，具有十分杰出的压电性和可塑性。将聚偏氟乙烯涣散在PAN凝胶基板上，完结了无需外部电源的自供能传感。因为PVDA的偶极彼此效果和PAN链的CN基团的高度偶极化，促进了PVDF的β-phase结晶含量的增高（从0到91.3%）,使之即便在没有一点电复原处理条件下，得到了杰出压电系数(d33 = 30 PC / N)的复合水凝胶。该自供能水凝胶一起获得了相似皮肤的杨氏模量(0.63 MPa -1.80 MPa)、拉伸性(90-175%)和高耐性(1.23 MJ/m2)。水凝胶能够输出一个开路电压30 mV和2.8μA的短路电流,快速呼应时间(~ 31ms)。此外，根据PAN-PVDF水凝胶的压力传感器可用于检测生理信号(如手势、脉息和文字)。PAN-PVDF水凝胶的共同性质源于其耐性和自供能特性，使其在人工皮肤范畴具有巨大的运用潜力。
图1-PAN-PVDF水凝胶的制备
图2-PAN-PVDF水凝胶的结构表征
图1 a和1 b显现PAN-PVDF共聚水凝胶的制备：PVDF压电聚合物,丙烯腈（AN）、对苯乙烯磺酸钠(NaSS)和MBA交联剂在有机溶剂DMSO首要进行共聚（60℃，1 h）构成一个有机凝胶，然后将有机凝胶浸泡在水中，代替DMSO得到PAN-PVDF水凝胶(图1c)。用水代替DMSO，能够恢复偶极-偶极彼此效果。偶极-偶极彼此效果是由一个极性分子(如PVDF中的CF2偶极)或基团(如丙烯腈中的CN偶极)与另一个极性分子或基团的负电荷端彼此招引而构成的。极性分子或基团的偶极矩越大，它们之间的彼此效果越强。因为偶极矩的砜基团在DMSO中为4.25德拜(D),高于CN基(3.9 D)和CF2基(2.4 D), DMSO溶液更简略结合CN和CF2偶极子而占有CN和CF2偶极子本身的结合位点(图1 D)。当PAN-PVDF有机凝胶是浸在水里,DMSO被水逐步代替，PAN链的CN会与本身相邻自在的CN和PVDF的自在CF2发作彼此偶极效果,构成偶极化交互网络以进步机械功用和促进高度电活性的成核β-phase(图1 e)。但是，偶极-偶极彼此效果阻止了PAN和PVDF链段的内部流动性，导致PAN-PVDF水凝胶的刚度过大。经过NaSS与AN的共聚，将带负电荷的磺酸基引进PAN链中，扩展了PAN链的网络，添加了PAN链的流动性，增强了复合水凝胶的水化效果，这有利于进步水凝胶力学功用和压电功用。
图3- PAN-PVDF水凝胶的机械功用表征
众所周知,运用高应变机械强度的压电元件能够带来优异的压电呼应因为进步偶极矩的改变(ΔP),然后添加生成的电力输出。图4的测验标明PAN-PVDF(10%)水凝胶具有安稳mechanical-electric呼应特性。灵敏性是人工皮肤的一个重要特性。首要，图4f显现了PAN-PVDF(10%)水凝胶对30 mg米粒的呼应。从垂直于10 cm的水凝胶中开释30 mg的水稻，观察到电压开端上升，然后下降到小于-0.01 mV的值。这一现象能够归因于水凝胶的回弹。当米粒落入水凝胶时，水凝胶发作向下变形，并发作正电压信号。因为水凝胶具有回弹性，它发作向上的变形，并发作相反的电压信号。呼应时间约为31ms，超过了其他压阻传感器的呼应时间(100-410ms)。
图4-PAN-PVDF水凝胶mechanical-electric呼应特性表征
图5-PAN-PVDF水凝胶人工皮肤器材运用研讨
为了探究人工皮肤的运用，将具有优异的机电呼应功用的PAN-PVDF(10%)水凝胶制成传感器，用于监测一些生理信号(如手势、脉息和说话)。手指是人体最灵敏的部位之一，许多手势都能够终究接近端指间关节的曲折来完结。将监测（PIP）手指关节运动传感器(图5b)制成三明治状结构。在水凝胶的底部和顶部粘上铜箔，铜线连接到铜箔上输出电信号。然后将绝缘PDMS层粘接到铜箔外层，组装成传感器。运用PDMS的意图是增强传感器的结构安稳性，削减外界搅扰。传感器用3M通明胶带固定在食指上，监测PIP关节运动(图5a)。从图5c能够精确的看出，在渐进曲折过程中，当PIP关节的曲折角从0°添加到90°时，水凝胶传感器相应的电压输出精确、快速地上升到相对值。为了杰出传感器潜在的健康监测运用，咱们制作了一个铜/水凝胶/铜夹层结构传感器来检测脉冲信号(图5d)和字信号(图5f)。相对电压随实时脉冲跳动的改变曲线，每隔1 s呈现一个明晰的脉冲峰值(图5e)。微细和超低压力大大都都用在人体的手势和生理信号，人体的压力往往发作细小的变形，传统的压力传感器无法探测到。动脉脉息信号是心率、动脉血压和血管老化的重要目标。在日常日子中，言语是社会沟通与协作的重要东西，不能正常说话的人在日子中会遇到许多不方便。不同的单词往往发音不同，而这种差异往往是由组成音节形成的。说单词或语句会引起声带振荡，然后使传感器遭到压力，并发作相应的电信号。经过监测声带的振荡来了解人们所说的话是有意义的。这些传感器能够方便地捕捉到人体的行为或生理特征，对人体无害，具有十分杰出的适应性，有利于运动练习。尽管这项作业只对简略的单词进行了信号检测，但咱们我们都以为经过检测单词的信号峰值，然后将这些信号峰值转换成语音，能轻松完结言语沟通。随后，该团队将对人体的生理信号进行更多的表征(例如，检测掌骨关节的运动以改进手势信号的搜集，监测步态以协助运动恢复)，以补充水凝胶传感器在人工皮肤中的功用。
综上所述，PAN-PVDF水凝胶可大规模的运用于信号检测和监测，具有较高的灵敏性和快速呼应，是人工皮肤的抱负挑选。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b04041
喜爱就点“在看”，敞开价值时间！
