研究背景：柔性傳感器的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，柔性可穿戴電子產(chǎn)品在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、仿生設(shè)備、康復(fù)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域大顯身手。在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)范疇，每年全球因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的軟組織損傷，促使大量膝蓋或肘部相關(guān)手術(shù)開展，術(shù)后患者往往需要?dú)v經(jīng)3-6個(gè)月的長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練，這給患者帶來經(jīng)濟(jì)與心理的雙重負(fù)擔(dān)。因此，基于個(gè)性化醫(yī)療的居家個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)成為緩解患者負(fù)擔(dān)、優(yōu)化醫(yī)療資源配置的關(guān)鍵策略。

導(dǎo)電水凝膠憑借良好的離子電導(dǎo)性、易于集成以及與生物組織的相似性，成為柔性傳感器的理想材料。然而，要開發(fā)出兼具高導(dǎo)電性、高靈敏度、高可靠穩(wěn)定性，且具備抗菌性和生物相容性的水凝膠，并將其應(yīng)用于多功能、高性能的柔性可穿戴應(yīng)變/壓力傳感器，仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠基柔性傳感器存在導(dǎo)電性和靈敏度欠佳的問題，難以捕捉人體細(xì)微動(dòng)作，限制了其在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。同時(shí)，提高水凝膠的導(dǎo)電性和靈敏度面臨諸多難題，如導(dǎo)電納米填料的團(tuán)聚問題，以及現(xiàn)有提高靈敏度的策略存在制作工藝復(fù)雜、成本高昂等弊端。此外，水凝膠在耐久性方面也存在不足，包括機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，開發(fā)滿足要求的水凝膠傳感器迫在眉睫。

創(chuàng)新策略：協(xié)同增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)性能突破

為攻克上述難題，該研究工作提出了一種基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器，這一策略如下圖1所示。該水凝膠以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇 (PVA)為聚合物網(wǎng)絡(luò)，摻雜自組裝的MXene基納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過冷凍-解凍循環(huán)和溶劑置換法引入分子擁擠劑 (DES)。這種共晶水凝膠呈現(xiàn)出獨(dú)特的孔橋形態(tài)，M@C網(wǎng)絡(luò)在孔壁上作為導(dǎo)電橋，賦予水凝膠卓越的導(dǎo)電性和傳感性能。同時(shí)，DES作為分子擁擠劑，增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸發(fā)。

圖1. 基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略應(yīng)用于高靈敏度共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器的示意圖，具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、增強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性、近紅外誘導(dǎo)的光熱抗菌性和出色的傳感性能

在制備過程中，先利用LiF/HCl溶液刻蝕Ti?AlC?粉末獲得MXene納米片，再通過靜電自組裝法將其與胺化MWCNT制備成M@C納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。接著，將PVA溶解后與導(dǎo)電劑M@C、造孔劑碳酸氫鈉混合，經(jīng)冷凍-解凍循環(huán)和HCl去除造孔劑得到具有大孔結(jié)構(gòu)的PPM@C水凝膠，最后將其浸入DES水溶液中，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠。通過SEM，XRD，紅外等表征手段分析了共晶水凝膠的結(jié)構(gòu)和物相變化，如圖2所示。

圖2. PPM@C-DES共晶水凝膠的合成過程和內(nèi)在相互作用

卓越性能：多方面表現(xiàn)出色

PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器在性能上具有多方面優(yōu)勢(shì)，在電導(dǎo)率、機(jī)械性能、環(huán)境耐受性、傳感性能以及光熱和抗菌性能等表現(xiàn)出色，為其在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支撐。

從機(jī)械性能來看，該水凝膠在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、打結(jié)等多種復(fù)雜機(jī)械載荷下，都能保持形狀完整，且去除外部刺激后可完全恢復(fù)初始狀態(tài)。在導(dǎo)電性能方面，M@C構(gòu)建的導(dǎo)電通路使其能夠點(diǎn)亮紅色LED，即便水凝膠被切斷后重新接觸，LED依然能亮起。在環(huán)境穩(wěn)定性上，它在?30 °C下放置24小時(shí)仍能保持高柔韌性，在50 °C下長(zhǎng)時(shí)間放置也能維持較高的殘留質(zhì)量，展現(xiàn)出良好的抗凍和抗干燥性能。

此外，該水凝膠還具有突出的光熱和抗菌性能?；贛Xene的局域表面等離子體共振 (LSPR)效應(yīng)，它在近紅外 (NIR)光照射下具有超高的光熱轉(zhuǎn)換效率，能快速升溫，對(duì)革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌的抗菌效率分別達(dá)到99.81%和99.68%，有效防止皮膚接觸感染和過敏，為按需光熱治療提供可能，如圖3所示。

圖3. (a) 使用PPM@C-DES共晶水凝膠作為防止皮膚接觸感染/過敏的可穿戴傳感器的抗菌機(jī)制示意圖。(b) 不同水凝膠對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能，以及相應(yīng)的抗菌率(c)和抑制區(qū)(d)。(e) 近紅外輻射 (0.3 W cm?2)下PBS、PVA水凝膠和PPM@C-DES共晶水凝膠的實(shí)時(shí)紅外熱圖像，以及相應(yīng)的近紅外輻射切換下的溫度變化曲線(f)和溫度響應(yīng)。

在傳感性能上，PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器的靈敏度高達(dá)4.49，在1%-290%的應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間僅為131 ms，恢復(fù)時(shí)間為125 ms。在壓力傳感方面，它對(duì)不同壓力也能產(chǎn)生穩(wěn)定、可靠的電流信號(hào)，在1200次壓縮循環(huán)中表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和耐久性，如圖4所示。

圖4. PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器的傳感性能

應(yīng)用場(chǎng)景：醫(yī)療領(lǐng)域前景廣闊

PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。將其固定在人體不同部位，可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)多種運(yùn)動(dòng)，如喉嚨處能感知聲帶振動(dòng)，手指、頸部、手腕、肘部、膝蓋等部位的運(yùn)動(dòng)也能被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，還可用于記錄康復(fù)訓(xùn)練過程中的心電圖 (ECG)信號(hào)?；谄鋬?yōu)異的光熱性能，該傳感器能為手術(shù)后遺癥（如關(guān)節(jié)疼痛或關(guān)節(jié)炎）提供按需光熱治療。經(jīng)NIR誘導(dǎo)光熱治療后，能有效促進(jìn)局部血液循環(huán)，減輕疼痛和關(guān)節(jié)僵硬，提升相關(guān)運(yùn)動(dòng)的傳感性能，如圖5所示。

圖5. 開發(fā)的PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練中的傳感應(yīng)用，當(dāng)安裝在人體不同關(guān)節(jié)時(shí)輸出信號(hào)

在信息傳遞方面，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，該傳感器可實(shí)現(xiàn)高效信息傳遞和高保真手寫識(shí)別。通過手指動(dòng)作按摩爾斯電碼傳遞信息，以及將手寫內(nèi)容轉(zhuǎn)換為獨(dú)特電信號(hào)，借助2D-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (2D-CNN)，手寫識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.46%，為特殊患者與醫(yī)護(hù)人員之間的溝通提供了便利，如圖6所示。

圖6. PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)中用于通信的適用性

總結(jié)與展望：

此項(xiàng)研究成功制備出多功能PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器，有效解決了導(dǎo)電聚合物水凝膠基多功能應(yīng)變/壓力傳感器開發(fā)中的關(guān)鍵難題。該傳感器卓越的綜合性能，為未來可穿戴智能設(shè)備集成無線傳輸模塊奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，有望進(jìn)一步優(yōu)化傳感器性能，拓展其在更多醫(yī)療場(chǎng)景中的應(yīng)用，為人們的健康福祉貢獻(xiàn)更多力量。

審核編輯 黃宇