科研人员在工程化水凝胶可穿戴医疗传感领域取得重要进展

柔性可穿戴电子器件能直接贴在皮肤表面,实现人体生理信息的原位、实时及连续监测,在个性化医疗领域具有极其可观的应用前景。然而,现有的柔性可穿戴传感器多基于石墨烯、Ecoflex、织物等材料,因存在器件-皮肤界面机械强度失配、穿戴不适、生物相容性不足等问题,难以实现广泛应用。水凝胶是一种高含水量的三维网状聚合物,具有优异的生物相容性和接近人体皮肤的弹性模量,成为发展下一代柔性可穿戴传感器的理想选择。然而,发展水凝胶柔性传感器仍面临以下挑战:1、水凝胶容易失水,进而引起机械、电学等性能发生改变,导致器件性能不稳定;2、高含水量增加水凝胶与其它基底或电极材料之间的键合难度。解决水凝胶的水分蒸发和弱界面粘接问题,提升耐用性和长期稳定性,以及开发低成本、大面积水凝胶柔性器件制备技术是实现其工程化应用的关键。

为此,西安交通大学蒋庄德院士、赵立波教授团队和加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授课题组首次探索了明胶-甲基丙烯酸酯水凝胶(Gelatin methacryloyl,GelMA)用于发展柔性触觉器件的可行性,研发了一种基于GelMA的高灵敏度、透明、皮肤适形、可完全溶液加工的柔性可穿戴触觉传感器,有效克服上述难题,并实现了在人身体上的可穿戴医疗应用。该GelMA柔性传感器可经受住3500多次循环压力作用,在72小时内能保持测量性能稳定,并可实现低成本、大面积制备,为实现水凝胶柔性传感器的工程化应用带来了新希望。

科研人员在工程化水凝胶可穿戴医疗传感领域取得重要进展

(a)GelMA水凝胶柔性触觉传感器的结构设计示意图(b)完全基于溶液加工的制备技术

(c)GelMA水凝胶柔性触觉传感器照片(d)GelMA水凝胶触觉传感器的循环试验结果

该水凝胶柔性触觉传感器采用电容检测原理,利用GelMA为介电弹性体,通过压力感知来实现人体生理信号检测。研究人员提出了一种可完全溶液加工的电容压力传感结构,将GelMA作为核心介电弹性体,通过在其两侧设置一层辅助键合层(如PDMS层)来控制水分蒸发。通过将辅助键合层表面化学处理,并采用紫外光照射的方法来实现其与GelMA之间的化学键合,以增强器件结构坚固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化学处理等工艺,开发了一种完全溶液加工的低成本、大面积制备技术。该结构设计策略及制备技术具有普适性,可用于发展其它水凝胶柔性触觉传感器。此外,由于GelMA介电弹性体、PEDOT:PSS电极、辅助键合和基底层均为透明材料,整个器件具有很好的透光性,对发展隐形可穿戴电子有重要意义。

该研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”为题近日在国际知名期刊 Advanced Functional Materials (IF=16.836)上在线发表,并被选为封面文章。西安交通大学机械学院李支康副教授为论文第一作者,西安交通大学机械学院赵立波教授、香港大学张世明助理教授以及加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者。此外,西安交通大学机械学院副教授罗国希、生命学院助理教授刘灏、前沿院博士生薛语萌共同参与了此项工作。

该研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后国际交流计划派出项目等项目的资助。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

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