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人體皮膚是一個(gè)重要的身體器官，它能夠通過離子傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)機(jī)械外力的感知，例如壓力、應(yīng)變以及扭轉(zhuǎn)等。同時(shí)，它還具有自我修復(fù)能力，能夠在外部損傷后恢復(fù)初始功能。受人類皮膚感知結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，已經(jīng)有個(gè)別研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了幾種具有離子傳輸機(jī)制的離子皮膚。它們具有高抗干擾性、出色的空間分辨率以及對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)刺激的出色響應(yīng)。然而，這些離子皮膚很容易受到持續(xù)磨損引起意外機(jī)械損傷，導(dǎo)致功能中斷或設(shè)備壽命減少。因此，與人類皮膚類似的自我修復(fù)能力是恢復(fù)受損功能以確保穩(wěn)定性和增加設(shè)備使用壽命所必需的重要固有屬性。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)在朱錦研究員的帶領(lǐng)下基于多年的自愈合材料和電子皮膚的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)（Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2106341； Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2009869； Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127691； Chemical Engineering Journal, 2021, 410, 128363； ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 11072； Materials Today Physics, 2020, 14, 100219.），同時(shí)與韓國(guó)漢陽大學(xué)的Do Hwan Kim教授團(tuán)隊(duì)以及韓國(guó)忠南大學(xué)的Kyung Jin Lee教授團(tuán)隊(duì)共同合作，開發(fā)出一種“超靈敏且可自修復(fù)的離子皮膚”。它擁有像人體皮膚一樣的彈性且具有自我修復(fù)能力，靈敏的觸覺功能可以隨著傷口的愈合而恢復(fù)。
首先，上述研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)觸覺細(xì)胞的機(jī)械刺激響應(yīng)原理，模擬真實(shí)人體皮膚的自愈功能和生物離子信號(hào)傳遞機(jī)制，設(shè)計(jì)合成了一種含有動(dòng)態(tài)二硫鍵功能基團(tuán)和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料。動(dòng)態(tài)二硫鍵一直在進(jìn)行可逆的動(dòng)態(tài)鍵合，無需額外的能量即可使傷口在室溫下也能快速自主自愈。其次，他們以離子液體作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，填充入上述熱塑性聚氨酯材料以后，開發(fā)出新型的離子導(dǎo)體。最后，以銀納米線為柔性電極，聚氨酯為封裝材料，組裝成目標(biāo)離子皮膚。由于聚氨酯中引入的氯取代基電負(fù)性較大，與離子液體間具有可逆的離子偶極相互作用。通過機(jī)械刺激改變氯取代基與離子液體之間可逆的離子偶極相互作用，能夠有效提高即時(shí)電容和初始電容的差值，從而提高靈敏度。不僅如此，該研究工作還系統(tǒng)地闡述了壓電離子動(dòng)力學(xué)（piezo-ionic dynamics）機(jī)制，以解釋高靈敏度的引發(fā)原理。這項(xiàng)研究成果模擬了類似生物觸覺細(xì)胞的離子信號(hào)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)力的變化控制離子導(dǎo)體內(nèi)部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。非常有意義的是，它提出了一種同時(shí)恢復(fù)傷口和觸覺功能的離子皮膚技術(shù)的新概念，有望應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域中的人機(jī)接口。
相關(guān)成果以“Ultrafast, autonomous self-healable iontronic skin exhibiting piezo-ionic dynamics”為題在Nature Communications期刊上在線發(fā)表。本工作的通訊作者為中科院寧波材料所應(yīng)鄔彬副研究員、韓國(guó)漢陽大學(xué)Do Hwan Kim教授以及韓國(guó)忠南大學(xué)Kyung Jin Lee教授，第一作者為韓國(guó)漢陽大學(xué)Elvis K. Boahen和韓國(guó)忠南大學(xué)潘寶海博士。
原文連接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35434-8
離子皮膚的設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)：由離子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的動(dòng)作電位刺激和動(dòng)態(tài)二硫鍵的鍵交換效應(yīng)模擬人體皮膚的外力感知和自愈合功能
標(biāo)簽： 離子皮膚
