【背景介紹】
皮膚是人體免受傷害和微生物入侵的第一道防護屏障，並且具有低模量，堅固的韌性和自剛度。同時，皮膚還配備了對各種複雜刺激（例如機械力，溼度和溫度）的多種超敏感知系統，並使人們能夠與世界互動和交流。模仿皮膚的電子器件引起了人們對個性化健康監測，人體運動檢測和生物醫學植入物的廣泛興趣。然而，現有的柔性電子器件仍無法與人類皮膚的先進性能相提並論，並且要實現高的模仿皮膚能力仍然具有挑戰性。首先，依靠彈性體（例如，聚二甲基矽氧烷和聚氨酯）的電子皮膚呈現出高彈性模量但是低韌性，導致與人體的不良結合。其次，大多數電子產品由於其低拉伸性而具有有限的檢測範圍。第三，導體和彈性體之間不良的界面結合導致在反覆循環變形期間，特別是在大應變下，導電填料從彈性基底上脫離。因此，製造全面模擬人類皮膚的感知和機械行為以滿足柔性電子的要求的柔性電子設備仍然具有挑戰性。
【科研摘要】
最近，長春工業大學高光輝團隊設計了一種具有DNA啟發性的水凝膠機械感受器，該感受器具有皮膚般的感知力和機械行為，以及出色的生物相容性。相關論文A DNA-inspired hydrogel mechanoreceptor with skin-like mechanical behavior發表在《J. Mater. Chem. A》上。他們使用DNA啟發的單磷酸腺苷交聯的季銨化殼聚糖網絡和含NaCl的聚丙烯醯胺網絡構建水凝膠。水凝膠具有低模量，高韌性，自剛度和快速自恢復性。結果，水凝膠機械受體對應變和壓力表現出高靈敏度，並且即使在大變形（應變為500％）下也表現出可忽略的機電滯後。令人印象深刻的是，水凝膠可充當可靠的可穿戴傳感器，用於檢測全身運動和生理信號，包括各種關節運動，面部表情，發聲和呼吸。可以預見，受DNA啟發的水凝膠機械受體將推動新一代柔性電子設備的發展，例如電子皮膚，醫療植入物，軟機器人和柔性觸摸板。
【圖文解析】
受DNA分子結構的啟發，將單磷酸腺苷（AMP）和季銨化殼聚糖（QSC）整合在一起，構建了DNA啟發的網絡結構，以改善水凝膠的機械性能。結果，成功地製備了受DNA啟發的水凝膠，並表現出具有高機械韌性，優異的回彈性和耐疲勞性以及優異的生物相容性的類似於皮膚的機械性能。水凝膠的製備過程如圖1所示。首先將QCS，AAm，AMP，N，N'-亞甲基雙丙烯醯胺（MBA）和氯化鈉（NaCl）添加到NaOH水溶液中。然後在過硫酸鉀（KPS）的引發下進行聚合反應以獲得QCS-AMP/PAAm水凝膠。
圖1. DNA啟發的水凝膠的示意圖。
人體皮膚由柔軟的彈性蛋白纖維和堅硬的膠原纖維組成。皮膚表現出獨特的機械性能，在較小的拉伸應變下表現出較高的柔軟度，但在較大的變形下會變得較硬，以防止基於彈性蛋白和膠原蛋白纖維的相互作用而受損。34,35自我增強的特性可以確保用戶進行大量身體活動時柔性傳感器的完整性。皮膚的機械行為通常在三個區域進行解釋（圖2a）。當在人體皮膚上施加較小的應變（區域i）時，彈性蛋白纖維的變形抗力較弱，而膠原蛋白纖維仍纏結在一起，從而導致線性應力-應變關係低模量。
圖2（a）皮膚的典型應力-應變曲線。（b）含62.4 wt％AMP/QCS的QCS-AMP/PAAm水凝膠的應力-染色曲線。（c）不同質量比的AMP/QCS下QCS-AMP/PAAm水凝膠的拉伸應力-應變曲線。（d）在最大應變為500％時QCS/PAAm水凝膠和QCS-AMP/PAAm水凝膠的拉伸循環曲線，以及（e）相應的應力和耗散能量。（f）在不同的靜置時間後，QCS-AMP/PAAm水凝膠在最大應變為500％時的拉伸循環曲線（g）對於AMP含量變化的水凝膠，G'和G''是頻率的函數。（h）在不同質量比的AMP/QCS下水凝膠的壓縮曲線。
良好的導電性，高透明度和出色的生物相容性對於柔性傳感器至關重要。如圖3a所示，所有QCS-AMP/PAAm水凝膠的電導率均約為0.028 S cm-1。令人印象深刻的是，QCS-AMP/PAAm水凝膠的電導率幾乎不受AMP驅動的機械強度的增加的影響，這與大多數以犧牲電導率為代價而提高機械性能的水凝膠不同。良好的導電性能應該是歸功於強大而穩定的水凝膠網絡，可以有效地保持自由離子導電通道的完整性。因此，QCS-AMP/PAAm水凝膠克服了高機械性能和優異電導率之間折衷的局限性。此外，QCS-AMP / PAAm水凝膠顯示出高的光學透明性，紫外線透射率為92％（圖3b），其中透過水凝膠觀察到的仙人掌的厚度為2 mm（圖3b的插圖）。此外，通過CCK-8分析評估了QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝膠的體外生物相容性。如圖3c所示，QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝膠可以促進人類原代成纖維細胞的生長。溫育96小時後，人原代成纖維細胞的數目比24小時明顯增加，並且水凝膠的細胞存活力與對照組幾乎相同。結果表明，QCS-AMP/PAAm水凝膠具有優異的生物相容性。QCS-AMP/PAAm水凝膠具有良好的電導率，高透明性和出色的生物相容性，在「隱形」電子學中具有廣闊的應用前景。
圖3（a）不同AMP含量的QCS-AMP/PAAm水凝膠的電導率。（b）QCS-AMP/PAAm水凝膠的AMP/QCS含量為62.4 wt％（厚度為2毫米）的紫外線透射率。（c）在QCS/PAAm和QCS-AMP/PAAm水凝膠上原代成纖維細胞的細胞活力。（d）水凝膠應變傳感器相對於各種施加的拉伸應變的相對電阻變化和規格係數。（e）通過拉伸到各種應變（30–500％），水凝膠應變傳感器的相對電阻變化。（f）水凝膠應變傳感器的響應和恢復時間。（g）在輸入應變為500％時水凝膠應變傳感器的信號磁滯。（h）在50％應變，100 mm min-1的拉伸速率下，水凝膠傳感器在100個拉伸-鬆弛循環中的相對電阻變化曲線。
除應變感測能力外，可穿戴電子設備對壓力刺激的感知能力也很重要。因此，對水凝膠傳感器的壓力感測能力進行了進一步的研究。圖4a示出了在不同壓力下水凝膠傳感器的ΔR/ R0的曲線。ΔR/R0首先在低壓範圍（0-22 kPa）中迅速增加，GF為0.013 kPa-1。然後，隨著壓力的進一步增加，ΔR/R0顯示出緩慢的變化趨勢，並且在22–50 kPa的壓力範圍內GF下降至0.002 kPa-1。這是因為水凝膠在高壓下會過度變形。離子傳輸受到限制，最終導致靈敏度降低。51圖。圖4b顯示了在不同壓力下壓力傳感器的感測性能。壓力傳感器可以識別不同程度的壓力，並具有出色的感測穩定性。此外，壓力傳感器對不同的壓力頻率敏感（圖4c）。如圖4d所示，輸入壓力曲線與輸出電信號之間存在很大的同步性，表明水凝膠壓力傳感器具有出色的可忽略的滯後性。
圖4（a）在不同壓力下水凝膠壓力傳感器的相對電阻變化曲線。（b）在1.5 kPa，3.0 kPa和8.3 kPa的不同壓力下的相對電阻變化。（c）在不同壓力速度和8.3 kPa壓力下相對電阻隨時間的變化。（d）水凝膠壓力傳感器的信號同步性強。（e）安裝在食指上的觸覺傳感器的照片，用於抓握和釋放盛有不同水量的燒杯，以及（f）實時相對電阻變化曲線。
具有應變和壓力敏感性的傑出特徵，可忽略的機電滯後，寬泛的傳感範圍以及出色的生物相容性，這種受DNA啟發的水凝膠有望作為可穿戴式可穿戴傳感器用於監測全身運動和生理信號（圖5a）。傳感器可以通過明顯的電阻變化來準確地區分彎曲角度的變化（圖5b）。同樣，可穿戴式傳感器可以捕獲手腕的運動（圖5c）。此外，可穿戴式傳感器能夠通過ΔR/R0的頻率變化差異識別各種步行狀態。如圖5d所示，隨著步行速度的增加，不同步行速度下的響應曲線呈現出從密集到稀疏的趨勢。此外，傳感器可以輕鬆跟蹤微妙的面部表情變化。當將水凝膠傳感器安裝在額頭上時，皺眉的形成過程會根據可重複且規則的電信號及時記錄下來（圖5e）。
圖5（a）用於監測全身運動和生理信號的可穿戴水凝膠傳感器的示意圖。（b）以不同角度（0°，30°，45°和90°）彎曲手指時，相對電阻隨時間變化的曲線。水凝膠傳感器在監測中的應用（c）手腕彎曲；（d）步行；（e）皺眉；（f）呼吸和（g）說話。（h）使用軟刷對水凝膠傳感器的周期性剪切力進行感測。（i）附著在氣球上的水凝膠傳感器對氣球反覆充氣和放氣的響應。
參考文獻：doi.org/10.1039/D0TA11437E
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