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厦门大学叶美丹教授团队 CEJ：默克尔细胞启发的类皮肤混合水凝胶用于可穿戴健康监测

时间：2023-01-03 来源： 浏览：

厦门大学叶美丹教授团队 CEJ：默克尔细胞启发的类皮肤混合水凝胶用于可穿戴健康监测

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收录于合集
#多孔网络水凝胶 2 个
#明胶 2 个
#MXene 40 个
#灵敏度 2 个
#智慧健康检测 2 个

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研究背景：
近年来，水凝胶由于其柔软、柔韧和可设计的特性，在类皮肤材料上备受关注。然而，在模拟皮肤的机械功能上仍然存在挑战。例如，理想的类皮肤材料应具有优异的柔韧性和敏感性，并在长时间的循环负荷下保持稳定。然而，迄今为止，大多数水凝胶都不能满足这些性能要求，并且经常表现出非常大的滞后性。

文章简介：
近日，厦门大学的 叶美丹教授、杨云工程师 等在《 Chemical Engineering Journal 》期刊上发表了题为 “ Merkel cell-inspired skin-like hybrid hydrogels for wearable health monitoring ” 的文章（ DOI: 10.1016/j.cej.2022.140976 ）。为提高水凝胶的机械性能和传感性能，该团队设计了一种具有皮肤特性的聚丙烯酰胺 / 明胶 /MXene 双网络水凝胶（ PGMH ）。一方面，明胶链的引入显著提高了混合水凝胶的拉伸性能和锁定 MXene 的能力；另一方面， MXene 纳米片的加入明显增强了 PGMH 的电学和力学性能。此外，受默克尔细胞在皮肤中的静态力特性的启发，设计了一种具有低压检测限（ 0.508 Pa ）和高灵敏度（ 14.117 kPa -1 ）的仿生柔性压力传感器（ SLPS ）。在该设计中，微柱阵列结构可实现高灵敏度的电阻 - 电容双响应，其传感性能远优于其他报道的柔性压力传感器，并通过简化电路模型和有限元方法分析提出了对 SLPS 的基本理解。最后，为了模拟默克尔细胞在皮肤中的区域化分布，实现了基于 SLPS 的多路复合传感阵列，并成功应用于可穿戴健康监测领域，包括运动监测、心电图检测、不同表皮中的脉搏检测和足底健康监测。该方法收集到的数据对人类保健或自我健康检测很有帮助，这对智慧医疗的发展非常重要。
正文简介：
图 1 PGMH 的表征： (a) PGMH 的合成路线， (b) PGMH 的交联机理， (c) PAM 链的交联结构， (d) 明胶结构， (e) MXene 的原子结构， (f) PGMH 的 SEM 图像， (g) PH 、 PGH 、 PMH 和 PGMH 的 FTIR 光谱， (h) 关节区弯曲半径约 8.9 mm 的 PGMH 附着在手上的照片。
图 2 PGMH 的性质： (a) PMH 和 PGMH 的成胶能力， (b) 不同明胶含量 PGH 和 (c) PH 、 PGH 和 PGMH 的应力 - 应变曲线， PGMH 在不同循环 600% 应变时的加卸载拉伸曲线 (d) 和不同应变时的加卸载拉伸曲线 (e) ， (f) PGMH 阻抗 - 频率图， (g) 不同拉伸应变下 PGMH 的 I - U 曲线， (h) PGMH 在 70% 应变和 0.9 Hz 频率下循环 3000 次， (i) PGMH 与一些报道的水凝胶的比较。
图 3 模拟皮肤压力传感器 (SLPS) 的特性： (a) 受默克尔细胞启发的 SLPS 示意图， (b) 微柱阵列结构的 PGMH ， (c) 超低压下 SLPS 的检出限， (d) 不同低压和 (e) 不同低频下 SLPS 的静力响应。
图 4 SLPS 的传感特性及应用： (a) SLPS 的相对电阻压力曲线， (b) SLPS 的相对容压曲线， (c) SLPS 的压缩响应和恢复时间， (d) 在 0.38 Hz ( 超过 10,000 s) 下 4000 次循环的稳定性测试， (e) SLPS 与最近报道的其他水凝胶压力传感器的比较， (f) 颈动脉 SLPS 的状况监测， (g) 颈动脉 SLPS 脉冲信号放大， (h) 连接 “ 寸 ”( 远端 ) 、 “ 关 ”( 中间 ) 、 “ 尺 ”( 近端 ) 检测动脉周围的 SLPS 。
图 5 SLPS 的传感机理： (a) SLPS 几何模型， (b) 指间电极截面内的电场分布， (c) SLPS 截面内电场分布示意图， (d) SLPS 等效电路简化过程， (e) 利用 COMSOL 软件模拟施加压力下 SLPS 的应力分布， (f) 有压力和无压力时应力分布的模拟结果。
图 6 阵列 SLPS 及其足底健康应用： (a) 可穿戴多路复合传感阵列示意图， (b) 绘制 7 个传感单元的电阻分布图， (c) 3 个传感单元的电阻信号， (d) 无线穿戴式足底监测系统的实际应用场景， (e) 基于 SLPS 的鞋垫示意图， (f) 65 公斤的成年人使用 WPMS 时脚后跟单个传感器所受的力， (g) 模拟人体在 WPMS 上行走 300 次， (h) 由足底监测系统识别正常足和平足， (i) 评估和分类足底状况， (j)“ 柔韧平底足 ” 志愿者全深蹲时足底力的动态分布， (k) 正常行走时足底力的动态分布。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140976

相关进展

厦大叶美丹、内大温晓茹/苏毅国《Chem. Eng. J.》：三维自支撑氮掺杂碳包覆氮化钛的赝电容/电吸附协同重金属离子去除研究

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