材料科學(xué)和功能性納米材料的最新進(jìn)展推動(dòng)了可穿戴壓力傳感器的快速發(fā)展，尤其在電子皮膚、疾病診斷、人機(jī)界面、醫(yī)療保健、生物監(jiān)測和人工智能（AI）等應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。高性能柔性材料對于可穿戴壓力傳感器的開發(fā)至關(guān)重要，這些材料能夠使器件更好地實(shí)現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍、機(jī)械穩(wěn)定性、快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間等關(guān)鍵特性，從而滿足長期、低成本、舒適性等全方位的生物監(jiān)測需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型復(fù)合水凝膠，可作為靈敏的壓阻式壓力傳感器，用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括可穿戴皮膚貼片、集成式人工皮膚、脈搏和血壓測量，以及作為自供電麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測聲音等。相關(guān)研究成果以“Conductive Peptide-based MXene Hydrogel as a Piezoresistive Sensor”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

這項(xiàng)研究所提出的水凝膠由含有芳香族、帶正負(fù)電荷氨基酸的短肽Fmoc-FF與二維Ti?C?Tz MXene納米片復(fù)合而成。這種MXene/肽復(fù)合水凝膠不僅成本低、制備簡單、穩(wěn)定可靠且適合大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)能保持高靈敏度、寬檢測范圍、耐久性、氧化穩(wěn)定性和生物相容性。

圖1 MXene/肽復(fù)合水凝膠的制造示意圖

圖2 MXene/肽復(fù)合水凝膠的形態(tài)特征

圖3 MXene/肽復(fù)合水凝膠中MXene的電性能和氧化保護(hù)作用

研究人員通過將Fmoc-FF肽與二維Ti?C?Tz MXene納米片相結(jié)合，開發(fā)出仿生、靈敏且穩(wěn)定的MXene/肽復(fù)合水凝膠壓阻式壓力傳感器。得益于芳香族二肽的簡單制備和功能性，該傳感器展現(xiàn)出良好的機(jī)械性能、壓力傳感性能、抗氧化損傷的穩(wěn)定性、自修復(fù)能力、寬檢測范圍（0 ~ 400 kPa）、高靈敏度（38.5 kPa?1）、極快的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（0.641/0.614 ms）以及優(yōu)異的循環(huán)耐用性（超過20000次）。

圖4 MXene/肽復(fù)合水凝膠的機(jī)械特性

圖5 作為壓阻式壓力傳感器的MXene/肽復(fù)合水凝膠的傳感性能

該壓阻式壓力傳感器可直接貼附在人體皮膚上，用以捕捉包括微小形變在內(nèi)的各種人體生理信號(hào)，例如手腕的脈搏和聲音，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍、快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和適用于長期生物監(jiān)測的可靠性。此外，該傳感器還可以作為自供電麥克風(fēng)用于聲音監(jiān)測。這些研究成果展現(xiàn)了MXene/肽復(fù)合水凝膠在下一代人工皮膚和個(gè)人醫(yī)療健康可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

圖6 基于MXene/肽復(fù)合水凝膠的壓阻式壓力傳感器的性能和應(yīng)用

綜上所述，這項(xiàng)研究從材料層面探索創(chuàng)新，成功開發(fā)了一種基于MXene/肽復(fù)合水凝膠的仿生壓阻式壓力傳感器。該傳感器具備高靈敏度、寬檢測范圍、耐久性、氧化穩(wěn)定性和生物相容性等性能，有望在下一代人工皮膚和個(gè)人健康監(jiān)測可穿戴設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用價(jià)值。

論文信息：
https://doi.org/10.1002/adhm.202303632

審核編輯：劉清