柔性可穿戴電子器件能直接貼在皮膚表面，實現人體生理信息的原位、實時及連續監測，在個性化醫療領域具有極其可觀的應用前景。然而，現有的柔性可穿戴傳感器多基於石墨烯、Ecoflex、織物等材料，因存在器件-皮膚界面機械強度失配、穿戴不適、生物相容性不足等問題，難以實現廣泛應用。水凝膠是一種高含水量的三維網狀聚合物，具有優異的生物相容性和接近人體皮膚的彈性模量，成為發展下一代柔性可穿戴傳感器的理想選擇。然而，發展水凝膠柔性傳感器仍面臨以下挑戰：1、水凝膠容易失水，進而引起機械、電學等性能發生改變，導致器件性能不穩定；2、高含水量增加水凝膠與其它基底或電極材料之間的鍵合難度。解決水凝膠的水分蒸發和弱界面粘接問題，提升耐用性和長期穩定性，以及開發低成本、大面積水凝膠柔性器件製備技術是實現其工程化應用的關鍵。
為此，西安交通大學蔣莊德院士、趙立波教授團隊和加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授課題組首次探索了明膠-甲基丙烯酸酯水凝膠（Gelatin methacryloyl，GelMA）用於發展柔性觸覺器件的可行性，研發了一種基於GelMA的高靈敏度、透明、皮膚適形、可完全溶液加工的柔性可穿戴觸覺傳感器，有效克服上述難題，並實現了在人身體上的可穿戴醫療應用。該GelMA柔性傳感器可經受住3500多次循環壓力作用，在72小時內能保持測量性能穩定，並可實現低成本、大面積製備，為實現水凝膠柔性傳感器的工程化應用帶來了新希望。
（a）GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器的結構設計示意圖（b）完全基於溶液加工的製備技術。（c）GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器照片（d）GelMA水凝膠觸覺傳感器的循環試驗結果
該水凝膠柔性觸覺傳感器採用電容檢測原理，利用GelMA為介電彈性體，通過壓力感知來實現人體生理信號檢測。研究人員提出了一種可完全溶液加工的電容壓力傳感結構，將GelMA作為核心介電彈性體，通過在其兩側設置一層輔助鍵合層（如PDMS層）來控制水分蒸發。通過將輔助鍵合層表面化學處理，並採用紫外光照射的方法來實現其與GelMA之間的化學鍵合，以增強器件結構堅固性、耐用性。採用旋塗、紫外光照、表面化學處理等工藝，開發了一種完全溶液加工的低成本、大面積製備技術。該結構設計策略及製備技術具有普適性，可用於發展其它水凝膠柔性觸覺傳感器。此外，由於GelMA介電彈性體、PEDOT:PSS電極、輔助鍵合和基底層均為透明材料，整個器件具有很好的透光性，對發展隱形可穿戴電子有重要意義。
該研究成果以「Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables」為題近日在國際知名期刊Advanced Functional Materials（IF=16.836）上在線發表，並被選為封面文章。西安交通大學機械學院李支康副教授為論文第一作者，西安交通大學機械學院趙立波教授、香港大學張世明助理教授以及加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者。此外，西安交通大學機械學院副教授羅國希、生命學院助理教授劉灝、前沿院博士生薛語萌共同參與了此項工作。
該研究工作得到國家自然科學基金、中國博士後國際交流計劃派出項目等項目的資助。
來源：西安交大
文章連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003601
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