透气、抗菌、可降解电子皮肤!

人体皮肤除了具有保护、分泌和呼吸的基本功能,还是人体感知、交互和与物质世界相互作用的重要体感系统。通过模仿天然皮肤的特征和功能,仿生电子皮肤的研发对于人机交互和人工智能的发展具有重要意义。近年来,一些具有高灵敏度、多功能的电子皮肤已有了不少研究,但电子皮肤的舒适性、环保性和抗菌性却鲜有关注,这在很大程度上阻碍了电子皮肤的实际应用。

当前多数高性能的电子皮肤都是以膜作为电极或基质,透气性差,这可能会引起皮肤不适,甚至引发炎症和瘙痒。其长期与人体皮肤接触,还是微生物生长的良好媒介,从而易引起细菌感染。此外,大部分电子皮肤材料不是一次性的,在使用寿命结束时可能会成为电子垃圾,甚至危害人体或污染环境。因此,理想的电子皮肤必须具有良好的透气性、抗菌性和生物可降解性,这样才能使电子皮肤的实际应用成为可能。

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队开发了一种基于全纳米纤维摩擦纳米发电机的透气、可生物降解和抗菌的电子皮肤,该皮肤是通过将聚乳酸-乙醇酸(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)分别作为起电层和基底,银纳米线(Ag NW)作为中间层,使其具有三维微纳多孔结构,有利于与外界进行热湿传递。通过调节Ag NW的浓度以及PVA和PLGA的搭配,可以分别调控电子皮肤的抗菌和生物降解能力。该电子皮肤可以实现对全身生理信号和关节运动的实时自动监测。这项工作为多功能电子皮肤的研发提供了新的策略,使电子皮肤在实用性上有了巨大的飞跃。该研究以题为“A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators”的论文发表在《Science Advances》上。

王中林院士团队《Science》子刊:透气、抗菌、可降解电子皮肤!

【电子皮肤的结构与成分】

电子皮肤由三个功能层组成,包括用于接触带电和防水的顶部PLGA,用于导电电极和抗菌剂的中间Ag NW,用于柔性基材和皮肤接触的底部PVA(图1B)。PLGA和PVA纳米纤维网络都是通过简便的静电纺丝法制备的,其微观结构形态和直径分布可通过调节电纺丝参数进行调控。上层疏水性PLGA可有效防止水扩散到电极上,而作为底层的亲水性PVA可迅速吸收人体的热量和汗水并及时扩散到外部。中间的Ag NW提升了电子皮肤的热稳定性,且在PVA纳米纤维的顶部形成一个连续的渗滤网络(图1B),从而提供具有高电导率的连续电子传输路径和良好的机械柔韧性。由多层堆叠的纳米纤维网络使电子皮肤具有适当的可拉伸性,大的比表面积,出色的透气性和较高的结构稳定性。此外,气体和水分子很容易穿过纤维间的毛细管通道,以调节人体皮肤与外部环境之间的热湿平衡。

王中林院士团队《Science》子刊:透气、抗菌、可降解电子皮肤!
图1 基于全纤维TENG的电子皮肤的结构设计和成分表征

 

【电子皮肤的舒适性】

对于直接与皮肤接触的电子设备,首要考虑的是它们的舒适性,主要包括柔韧性和透气性。PLGA的拉伸强度和韧性均高于PVA,更适合作为表面材料(图2A)。Ag NWs和PVA纳米纤维之间的界面附着力有助于提高Ag NWs / PVA纳米纤维薄膜的拉伸强度。

多层堆叠的纳米纤维网络中有许多微纳孔隙,使气体和水分子易于通过纤维间通道传输,结果使电子皮肤的透气性(〜120 mm/s)远比商用牛仔裤要高(〜10 mm/s)。此外,电子皮肤的透气性随纳米纤维膜厚度的增加而降低(图2B),但随着压差的增加而提高(图2C)。该电子皮肤可以根据内部和外部条件及时、动态和可逆地交换、平衡气体和水分子,从而实现人体的热湿舒适性(图2C)。

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图2 电子皮肤的柔韧性,透气性和电输出性能

 

【可生物降解电子皮肤的抗菌性】

抑制区和菌落计数实验结果表明,带有Ag NW电极的电子皮肤具有良好的抗菌性能。PLGA / Ag NWs / PVA纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区域的直径分别为10和12 mm(图3A),琼脂培养皿上两种细菌的残留菌落明显少于原始菌落(图3B)。该电子皮肤对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率分别达到54%和88%(图3C)。

随着Ag NW添加量的增加,抗菌性能可以逐渐提高。生物降解是另一个主要特性,可以使电子皮肤在规定时间内发挥作用,然后物理降解为无害成分。PLGA和PVA是众所周知的合成生物可降解材料,可以在一段时间内分解。结合PVA的快速降解和PLGA的缓慢降解,PLGA / Ag NWs / PVA表现出合适的生物降解性,其降解时间可根据PLGA或PVA膜的厚度进行调整。

王中林院士团队《Science》子刊:透气、抗菌、可降解电子皮肤!
图3电子皮肤的抗菌性和生物降解过程

 

王中林院士团队《Science》子刊:透气、抗菌、可降解电子皮肤!
图4全身监测生理信号和关节运动

 

总结:该研究开发了一种基于摩擦纳米发电机的集透气性、生物降解性和抗菌性为一体的自驱动电子皮肤,不仅具有舒适、安全、环保的优势,还具有能量收集和高度灵敏的功能,能够实现人体全身生理和关节运动信号的监测,有助于推动电子皮肤在人机界面和人工智能中更实际、更环保的应用。

原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba9624

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