188金宝搏官方网站厦大侯旭团队李维军帝国理工李明博士Device：防汗生物电子皮肤传感器

　　生物电子皮肤传感器为高强度运动下诊断和预测相关疾病提供了更多机会。然而，大多数皮肤传感器在潮湿的生理环境中会因失效而脱落，这严重限制了其应用。基于此，研究团队报告了一种基于液基材料对生物电信号和运动检测具有高灵敏度的防汗生物电子皮肤传感器。这种传感器不仅对干燥、油性和出汗的皮肤具有很强的附着力，而且具有稳定、灵敏的电信号响应特性。此外，高拉伸性、即时自愈、防潮和抗冻特性意味着液基材料可应用于可穿戴防汗生物电子传感器在复杂条件下进行人机交互，可监测不同场景下的微小运动或剧烈运动下的电生理信号，并提供疾病风险预警，而且在极端环境下也可以进行人机交互，为可穿戴电子传感器的设计提供了新的可能。

　　2023年6月27日，相关成果以“Sweat-resistant bioelectronic skin sensor”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上。英国帝国理工大学李明博士与厦门大学博士生李维军为论文第一作者兼通讯作者，同时厦门大学侯旭教授为共同通讯作者。

　　过去几年，需要与皮肤等生物组织或内部植入物紧密接触的生物电子传感器的发展作为一个技术领域迅速成熟。为了确保这些传感器的可靠功能，在它们与周围组织之间建立保形且稳定的接触至关重要。导电水凝胶出色的电化学稳定性、成型性和生物相容性为软体机器人、可穿戴设备、人造皮肤、柔性触摸屏、脑机接口等领域的应用开辟了新的可能性。但是使用纯水作为分散介质的导电水凝胶通常在低温环境下冻结，这限制了离子传输，导致导电性和机械性能较差。另外，粘性离子水凝胶在潮湿表面上的弱且不稳定的粘附力会导致界面失效和功能的丧失，这严重阻碍了它们作为柔性人造皮肤传感器的应用。大多数现有的导电水凝胶机械性能和导电性较差，并且在拉伸时会损坏，这限制了它们在复杂运动检测中的实际应用。为了获得更好的导电性，研究人员将导电纳米材料（即金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等）引入弹性水凝胶基质中，以生产高导电水凝胶传感器。虽然这些导电纳米材料的掺入有效提高了生物电信号灵敏度，但降低了其机械性能。因此，迫切需要开发新型导电生物电子皮肤传感器来解决这些矛盾。

　　图1：防汗生物电子皮肤传感器（SRBSS）的设计和原理。SRBSS用作无线皮肤传感器获取生物肌电和心电信号的示意图，以及在干燥/出汗的皮肤表面上的传统生物电子皮肤传感器（BSS）和SRBSS的粘附机制和内部网络结构示意图。左下角图示为SRBSS用于远程疾病预警系统。

　　如图1所示，与传统BSS（在干燥皮肤上的粘附力较弱，在出汗条件下容易脱落）相比，SRBSS在干燥条件下保持稳定的粘附力，并且在出汗条件下也保持稳定。优异的性能确保SRBSS可用于身体信号传感和报警过程。SRBSS的性能取决于不同网络结构的形成和特征：骨架网络、导电网络、自愈网络、防冻网络和粘附网络。各种网络相互配合，从而赋予SRBSS优异的拉伸强度、机械稳定性以及粘附性能，其中化学粘附是通过AD/ADQ中的氨基/硫醇基团和多巴醌之间形成共价键来实现的，从而进一步保证了SRBSS在健康传感预警中的功能稳定性。

　　图2：SRBSS的抗冻性、拉伸性、导电性和长期稳定性。(A) 水凝胶在不同温度下的拉伸曲线。(B) 不同温度下水凝胶的应力-应变曲线。(C) 含有不同质量浓度的电氧化藻酸盐-多巴的水凝胶的杨氏模量和韧性。(D) 不同使用时间和温度下水凝胶的离子电导率。(E) 水凝胶在不同浓度的LiCl溶液中浸泡24小时后的电导率。(F) 具有不同量MXene的水凝胶的传感能力。(G) 水凝胶的重量和电导率随放置在25°C、40% RH环境中的时间的变化。

　　在实际应用中，温度是BSS器件最关键的限制之一。SRBSS的抗冻性通过不同温度下的拉伸应力-应变曲线°C的温度下仍然保持显著的拉伸和粘附性能。如图2B所示，SRBSS在25°C下可拉伸至原始长度的8倍而不断裂，表明其具有高拉伸性。随着AD的增加，SRBSS的韧性先增加后减小，并在9%（w/v）AD浓度时达到最高断裂能（图2C）。如图 2D 所示，SRBSS的离子电导率为1.52 S m−1，并且其电导率在1天的使用过程中保持稳定。图2E为LiCl浓度对SRBSS的离子电导率的影响。虽然MXene纳米片的加入并没有显著改变水凝胶在未变形状态下的电阻率，但它可以提高水凝胶在变形下的传感响应能力（图2F）。SRBSS的长期稳定性通过水凝胶在室温条件（25°C）下30天的性能测试得到证明（相对湿度为40%），表现出非常小的重量和电导率变化（图2G）并保持其机械性能（图2H）。

　　图3：SRBSS的自愈和粘附性能。(A) 原始和恢复的 SRBSS 在不同温度下的电导率。(B) SRBSS 的剪切强度/180°剥离力与粘合时间之间的关系。(C) 不同粘合时间下的剪切曲线。(D) 用于测量剪切强度、界面韧性和拉伸强度的图像、示意图和典型应力-应变曲线% 应变下的循环拉伸-松弛以及100个循环中的相对剪切强度。(F 和 G) SRBSS与不同猪器官 (F) 以及电子设备中包含的各种基材 (G) 之间的长期粘合剪切强度。(H) SRBSS 在不同电子器件基板上的180°剥离力。

　　在不同温度下的自修复性能如图3A，表现出在低温/室温/高温下愈合小于1s后即可实现近100%的电导率修复效率。随着粘合时间的增加，水凝胶与湿猪皮之间的搭接剪切强度和180°剥离力均迅速增加，并在粘合时间超过15h后趋于稳定（图3B）。图3C结果表明，虽然水凝胶的粘合强度随着粘合时间的增加而增加，但无论之前的粘合时间如何，其瞬时粘合强度都保持稳定。图3D显示了水凝胶胶带和湿猪皮之间的剪切强度、拉伸强度和界面韧性，这比大多数报道的粘合水凝胶传感器更好。水凝胶的组织粘附的长期机械稳定性如图3E所示，虽然水凝胶的剪切强度随着循环次数的增加略有下降，但拉伸-松弛100次循环后仍保持原值的95%以上。SRBSS还可以与其他湿组织（图3F）以及电子设备中广泛使用的各种固体表面（图3G和3H）建立稳定的长期粘附，从而保证了在皮肤上的实际应用。

　　糖水凝胶(CS)组和SRBSS组细菌菌落的光学图像。(B 和 C) 与 SRBSS 一起孵育的金葡萄球菌培养基中K+和β-半乳糖苷酶的浓度。(D)实验组(SRBSS)、空白对照组(去离子水)、阳性组(1%2,4-二硝基氯苯)新西兰兔1、24、48、72 h过敏皮肤试验图像。(E) 在 SRBSS 和 CS 水凝胶上孵育 1、2 和 3 天后 HepG2 细胞的光学图像。(F) 相对细胞活力与培养时间的关系。(G) SRBSS 的溶血测试。阴性组：生理盐水；阳性组：蒸馏水。

　　为了评估器件的抗菌能力，将革兰氏阳性菌（金葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）接种到 6 种不同的培养基中，培养24小时，如图4A所示，空白对照组广泛形成菌落，壳聚糖水凝胶（CS）组出现明显的菌落，而SRBSS组未观察到菌落。以金葡萄球菌为例，与空白对照组和CS水凝胶组相比，SRBSS组细菌不仅培养基中的K+和β-半乳糖苷酶浓度较高，而且表现出浓度的时间依赖性（图4B和 4C)，这证明SRBSS具有很强的抗菌能力。将SRBSS粘附在新西兰兔脱毛后的背部，以验证皮肤组织可能的致敏情况，如图4D所示。通过在SRBSS表面培养的HepG2细胞的生长验证了其细胞毒性（图4E），虽然SRBSS组在整个培养过程中细胞活力均低于对照组（图4F），但相应的细胞毒性仅为一级，满足生物材料细胞毒性的要求。另外，溶血试验显示，SRBSS的溶血率仅为3.68%±0.44%（图4G）。因此，这些结果证明了SRBSS在医疗电极、可穿戴设备和多功能表皮传感器等应用中的途。

　　图5：SRBSS作为生物电电极的传感应用，各种情况下的心电信号采集及相关报警系统。(A) SRBSS 随应变变化的电阻变化。(B) 应变传感器在25%应变下的响应时间。(C) 应变为 50%、100%、150% 和 200% 时各十个循环的相对电阻变化。(D) 传感器在50%应变下传感性能的长期稳定性结果。(E) 基于SRBSS的电容式传感器，用于手指按压感应。(F) 离子电容传感器在0.18 kPa压力下的响应时间。(G) SRBSS和商用Ag/AgCl电极在空气中（上）和水下（下）中获得的心电图信号。(H) 心电信号采集报警装置工作时的照片，显示蜂鸣器报警和紧急呼叫协同工作。

　　如图5A所示，电阻随着应变的增加而非线% 应变时，所需的响应和恢复时间分别为251和187毫秒（图 5B）。此外，SRBSS 可以在不同循环拉伸应变下产生重复的阻力变化（图 5C）。在连续循环拉伸270次，电阻变化也保持稳定，表明水凝胶在应变下具有优异的耐久性（图5D）。进一步评估响应时间、压力灵敏度和可重复性（图 5F）。如图5G（干燥条件）所示，SRBSS电极在空气中记录的心电波形与商用Ag/AgCl电极记录的波形对比，SRBSS不仅可以在空气中稳定收集生物电信号，还可以在水下工作，而商用Ag/AgCl 电极在水下会脱落，并失去生物信号（图5G）。为了探索构建一个有助于预防剧烈运动或长期工作引起的猝死的系统，从而构建了一种基于SRBSS电极、以微为核心的集成心电信号采集报警装置（图5H）。

　　总之，作者团队展示了一种基于液基材料-水凝胶的强湿附着、防冻、离子导电的SRBSS。由于的存在，即使在寒冷环境（-40°C）下，SRBSS也表现出良好的机械和导电性。MXene纳米片的加入赋予SRBSS在相关生理电频率下更好的传感响应能力。SRBSS对干/湿组织和固体电子设备具有快速而牢固的粘附力。此外，其低细胞毒性和良好的抗菌特性证明它可以直接应用于作为表皮传感器或可穿戴电极，以监测不同场景下的微小运动或剧烈运动下的电生理信号（ECG），并应用于可穿戴防汗生物电子传感器在复杂条件下进行人机交互，还可以提供疾病风险预警，这些独特的性能为BSS的设计和制备提供了新的途径。

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