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北京化工大学《ACS Nano》:“全能”MXene助力实现高效医学压力感测器,中国化工网,okmart.com
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北京化工大学《ACS Nano》:“全能”MXene助力实现高效医学压力感测器
2021年06月09日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

具有优异感测性能的柔性、透气、可降解的压力感测器在可穿戴器件、健康监测以及人工智能等领域持续吸引着巨大的关注。这类压力感测器不仅轻质灵活,还有利于减少电子垃圾、可对环境保护产生积极影响。然而,传统的塑料或者弹性体衬底却在渗透性、舒适度、力学匹配度以及降解性等方面对此类器件产生了负面的影响,严重限制了其进一步发展应用中国化工网okmart.com。因此,制造具有高柔性、轻易可降解性以及可透气的压力感测器是具有高度需求且依然极具挑战性的科研方向。

北京化工大学张立群和万鹏博等人发表文章报道了一种可穿戴、透气、可降解以及高度灵敏的MXene/蛋白质纳米复合材料基压力感测器。这一感测器展现出了非常优异的器件性能,其感测范围可达39.3 kPa,灵敏度在1.4−15.7 kPa范围内可达298.4 kPa−1、在15.7−39.3 kPa范围内可达171.9 kPa−1,响应/恢复时间可分别快至7毫秒和16毫秒,在超过10000次循环后还具有非常好的循环稳定性,在透气、生物相容性和可降解性等方面也具有优异的表现。相关工作以“Breathable Ti3C2Tx MXene/Protein Nanocomposites for Ultrasensitive Medical Pressure Sensor with Degradability in Solvents”为题发表在ACS Nano。


一、MXene/蛋白质纳米复合材料基压力感测器的制备

如图1所示,这一压力感测器由两部分组装而成,一部分是MXene-丝纤蛋白(MXene-SF)薄膜(作为感测层),另一部分是MXene墨水-SF(MXene ink-SF)梳妆电极(作为电极层)。对于MXene-SF薄膜来说,研究人员首先对蚕茧进行脱胶、透析等处理得到再生丝膜,再采用静电纺丝的方法制备了具有多孔结构和高度柔性的SF纳米纤维薄膜。利用蘸滴涂覆(dip-coating)方法,研究人员再将少层导电Ti3C2Tx MXene纳米片均一沉积到SF薄膜上,形成MXene-SF薄膜。而电极的部分则是通过在SF纳米纤维薄膜上对MXene墨水进行丝网印刷而成。这两部分再经过面对面组装最终获得了MXene/蛋白质纳米复合材料基压力感测器。

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图1 MXene/蛋白质纳米复合材料基压力感测器的制备示意图

二、感测性能检验

这一压力感测器是一种压阻式传感器,其薄膜和电极之间的接触电阻可响应外部压力进行变化。施加的压力可以在薄膜和电极之间产生微小的压缩变形,导致两者之间出现更多的接触面积和导电通路,从而增加感应电流,实现压力感测性能。研究人员利用电化学传感分析仪等装置对该压力感测器的感测性能进行了分析和检测(图2)。研究发现,由于MXene-SF薄膜上存在许多空穴和缝隙,使得纳米纤维之间的接触性变差,因此当无外部压力时,薄膜展现出了巨大的原始电阻;而当外部开始施加微小的压力(89−1071 Pa)时,导电的SF纳米纤维开始相互接触并连通了电极上的部分接触点,从而导致器件导电性少量增加和低灵敏度;而当继续增加外部压力(1428−15 714 Pa)后,多层的SF纳米纤维会被紧紧压在以期并且在薄膜和电极之间创造更多的接触点,从而导致导电性和灵敏度快速增加;而当压力显著增加到15.7-39.3 kPa时,由于纳米纤维之间的相互接触改善有限,因此灵敏度的增加也比较缓慢。此外,由于感测器的组分弹性比较好,因此感测器的响应和恢复时间比较快,可分别达到7毫秒和16毫秒的水平。

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图2压力感测器的感测性能

三、监测人体活动

凭借优异的稳定性和感测性能,研究人员随后将该感测器应用到检测人体的生理信号和运动信号方面。在图3a中,当感测器装备到手指上时,其可以通过电流变化远程监测手指的弯曲程度。不仅如此,随着手指弯曲按压,感测器还能检测压力的产生(图3b)。同理,感测器也能检测肘部弯曲或者膝盖弯曲的物理信号,对于监测运动损伤复原情况意义重大(图3c)。此外,将感测器贴附到手腕上还能实时检测由脉搏跳动产生的力,从而监测心率和动脉情况(图3d)。更有趣的是,这一感测器还能辨别喉咙的发音运动。当喉咙发声时,感测器能够准确记录不同的词汇所产生不同的振动力,从而分辨发声(图3e、3f)。

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图3 压力感测器在监测人体活动方面的应用

最后,为了评估该感测器的可降解性能,研究人员将器件放置在0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中。研究表明,器件在9天内可以发生自催化水解和块体降解行为,重量损失可达到50%左右。直至28天,感测器则完全降解消失。其中,MXene-SF薄膜在碱性溶液中浸泡15天左右就发生显著分解,这些数据均表明MXene/蛋白质基感测器是可降解的,具有环境友好的特点。


结论

该研究设计制备了一种透气、可降解、灵敏的全纤维结构MXene/蛋白质纳米复合基压阻式感测器。这一柔性感测器具有高比表面积、可调的灵敏度以及可调整的接触面积,因此在灵敏度、感测范围、响应/恢复时间、循环稳定性等方面展现出了巨大的优势。这一感测器可进一步集成形成电子皮肤,对压力分布进行定量分析。研究认为,本文提出的器件制造方法和思路能够有力促进柔性医学感测器的发展和应用。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学生物制药仪器设备
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