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电子皮肤(e-skins)是一种与人体皮肤具有机械相容性的电子设备，被认为是实现无创人机交互和可穿戴设备的抱负电子设备。为了完全模仿人类皮肤，电子皮肤应具有可靠的力学性能，并可以抵御热、冷、枯燥和细菌等外部情况因素，同时感知多种外部刺激，如温度、湿度和应变。
近日，来自陕西科技大学的刘新华、王学川传授结合四川大学的郭俊凌传授团队通过在甘油/水二元溶剂中集成甜菜碱、银纳米颗粒和氯化钠，造备了一种纳米化的通明、机械巩固、情况不变、多功用的天然皮肤衍生有机水凝胶(NSD-Gel)。通明NSD-Gel电子皮肤具有优良的抗拉强度(7.33 MPa)、抗穿刺性、保湿性、自再生和抗菌性能。此外，NSD-Gel电子皮肤具有加强的耐冷/耐热性和刺激响应特征，能够有效地感知情况温度和湿度变革，以及心理人体运动信号。
相关论文“Mechanically Robust and Transparent Organohydrogel-Based E-Skin Nanoengineered from Natural Skin”于2023年1月29日在线颁发于杂志《Advanced Functional Materials》上。
1. NSD-Gel电子皮肤的设想与造做
NSD-Gel电子皮肤利用填料和纳米工程的组合造造。皮肤做为NSD-Gel电子皮肤的骨架，并照顾甜菜碱，具有较高的机械强度和许多连系位点。HCl中的H+与纤维的氨基连系，按捺羧基的电离，使带正电的氨基加强纤维的分离和二元溶剂的填充。溶液中的NaCl有效调理溶剂吸收，避免皮肤过度肿胀。甜菜碱和AgNPs能有效按捺和杀死细菌，从而使NSD-Gel电子皮肤具有高效的抗菌性能(图1a)。为了尽量削减常规水凝胶中发作的冻结和枯燥，别离利用二元溶剂和两性离子做为介量和功用性填料，通过毁坏冰晶中的氢键来降低冻结温度，并通过降低蒸汽压来减缓枯燥速度(图1b,c)。Na+、H+和AgNPs使NSD-Gel电子皮肤具有导电性，NSD-Gel电子皮肤因为变形对应变具有超敏感性，能够有效改动离子的输运途径和时间(图1d)。此外，因为两性离子的亲水性官能团，甜菜碱在溶液中恰当分离，从而包管了与胶原纤维束纠缠在一路的持续导电收集。因为其离子转移效率对溶剂的温度和水分含量高度敏感，NSD-Gel电子皮肤对温度和湿度具有高度敏感性(图1e,f)。
图1 NSD-Gel电子皮肤示企图
2. NSD-Gel电子皮肤的形态表征
为了阐明NSD-Gel电子皮肤的多层构造和构成机造，研究了NSD-Gel电子皮肤的微不雅条理构造和键合构造(图2a)。超深度显微阐发(图2b,c)显示，NSDGel电子皮肤在差别样品外表下的外表凸起更小，外表更平展。外表和截面SEM阐发显示，纤维构造之间的空隙被填充，胶原纤维束构造保留优良(图2d-i)。别的，EDS显示NSD-Gel电子皮肤截面上的各类元素散布平均，申明功用填充液被平均吸收到电子皮肤中(图2g)。FT-IR和拉曼显示，甜菜碱和AgNPs平均分离在NSD-Gel电子皮肤中，包管了有机水凝胶的不变性(图2j-l)。
图2 NSD-Gel电子皮肤的形态表征
3. NSD-Gel电子皮肤的透光率、力学性能、抗菌性能及保湿性能
如图3a所示，NSD-Gel电子皮肤具有显著的柔韧性和可变形性。图3b、c显示，c - skin没有通明度，那是因为胶原纤维处于相对枯燥的形态，胶原纤维之间的孔隙中充满了大量的空气。与S-Gel比拟，NSD-Gel和SB-Gel具有更好的通明度，在可见光光谱(400-780 nm)的透射率为32.0-84.0%。NSD-Gel电子皮肤优良的通明度包管了基于NSD-Gel电子皮肤的传感和监控设备的预期可见性。从图3d能够看出，C-Skin的更大抗拉强度、断裂伸长率和杨氏模量别离为12.04 MPa、38.6%和25.9 MPa，表示出较强的应变强化行为和力学性能。轮回应力-应变试验表白，S-Gel和NSD-Gel在第一次加卸载轮回中滞回更大，残存应变最小，应变30.0%时S-Gel、SB-Gel和NSD-Gel的应力别离为0.52 MPa、0.64 MPa和0.62 MPa(图3e)。流变成果表白，NSD-Gel电子皮肤的抗拉强度到达了7.3 mpa(图3f-i)，那是因为NSD-Gel来源于天然皮肤，皮肤胶原纤维收集的存在极大地进步了该有机水凝胶的抗拉强度。抗菌试验表白，NSD-Gel电子皮肤具有所需的抗菌性能，满足植入式电子设备的抗菌需求(图3g)。此外，NSD-Gel电子皮肤的抗拉强度和杨氏模量与初始形态比拟仍连结稳定(图3k,l)，同时具有超卓的保水才能以及自我再生才能(图3m-n)。
图3 NSD-Gel电子皮肤的透光率、力学性能、抗菌性能和保湿性能
4. NSD-Gel电子皮肤的防冻、温度传感和湿度传感特征
为了进一步考察NSD-Gel电子皮肤的应用潜力，研究了其在差别温度和湿度前提下的机械不变性和传感才能。因为水与Gly之间存在丰硕的氢键(图4a)，得到的NSD-Gel电子皮肤在低温下表示出优良的导电性。此外，在那项研究中，NSD-Gel电子皮肤中Gly的浓度连结在>50.0%，以进步二元溶剂的抗冻性,使有机水凝胶具有超卓的抗冻性（图4b）。
当将温度从-20 ℃加热到80 ℃时，储能模量仍然高于损耗模量，表白NSD-Gel电子皮肤 表示出弹性行为（图4c）。差示扫描量热法 (DSC)表白几乎所有的水分子都物理连系在分层纤维构造中（图4d）；SB-Gel和NSD-Gel电子皮肤都具有更强的拉伸强度和更大的杨氏模量，表示出很强的抵御温度变革的才能（图4e）。同时，温度越高，胶原纤维的节段运动越大，离子传输越快，那表示为阻抗降低和电导率增加。电子皮肤的电导率在-20至80 ℃范畴内跟着温度升高而逐步增加（图4f）。
图4 NSD-Gel电子皮肤的抗冻、温度感应和湿度感应特征
此外，将NSD-Gel电子皮肤固定到烧杯外外表后，当烧杯中拆有冷水或热水时，实时电流信号会跟着响应阻抗的变革而上升或下降（图4g）。阐发电子皮肤在0 °C和60 °C之间轮回温度变革下的轮回实时电流变革发现，NSD-Gel 电子皮肤的响应和恢复时间别离为 5.1和3.5分钟，而且NSD-Gel电子皮肤的响应性能在十次轮回后几乎没有变革，表白电子皮肤具有快速感知温度的才能，以及高不变性和可靠性（图4h，i）
5. NSD-Gel电子皮肤 的实时功用运动监测
基于以上特点，NSD-Gel电子皮肤被用做人体心理信号检测的运动传感器。当用差别频次的手指触摸时，那种电子皮肤会显示响应的电信号，证明NSD-Gel 电子皮肤具有超卓的响应才能（图5a）。NSD-Gel电子皮肤为与差别身体部位相关的运动产生应变依赖性电阻变革信号，例如手指弯曲（图5b）、咽喉（图5c）、颈部弯曲（图5d)，以及手腕（图5e）、肘部（图5f）、脚踝（图5g）和膝盖（图5h）的关节运动。详细而言，NSD-Gel电子皮肤 的相对电阻随手指、手腕、肘部和膝盖的弯曲角度呈现梯度变革，那能够用泊松效应来解释，即拉伸性促进纤维之间的聚集，从而限造传输途径用于传导离子。
图5 NSD-Gel电子皮肤的实时功用运动监测
6. NSD-Gel电子皮肤 的细胞毒性、组织庇护和传感反响
最初，做者停止MTT 以确定 C-Skin、S-Gel、SB-Gel 和 NSD-Gel电子皮肤 的生物相容性，成果表白NSD-Gel电子皮肤的优良生物相容性（图6a、b）。NSD-Gel电子皮肤 因其按需抗热和抗冻才能以及温度传感优势而被用做抱负的可穿戴设备，以在恶劣情况下庇护大鼠的皮肤（图6d）。捕捉的红外图像和响应的数字图片显示了在冻伤或烧伤期间未笼盖或笼盖C-Skin、NSD-Gel电子皮肤或贸易庇护质料(CPM)的大鼠背部皮肤的部分温度（图6e-h）。
庇护性试验后，接纳组织切片法进一步阐发C-Skin、NSD-Gel电子皮肤、CPM对大鼠皮肤的庇护感化（图6i、j）。组织学显微镜图像显示，与用 NSD-Gel电子皮肤 和 CPM 处置的大鼠皮肤比拟，未受庇护和 C-Skin 笼盖的皮肤的大量新血管构成和组织再生能够通过高 CD31 强度来证明，表白 NSD-Gel电子皮肤 具有与 CPM 类似的预期庇护感化。
此外，在毗连到电化学工做站后，研究了附着在大鼠背部皮肤上的 NSD-Gel 电子皮肤的相对电阻变革（图6k）。NSD-Gel电子皮肤 的相对电阻信号跟着轮回的冷或热刺激表示出不变且有规律的变革，证了然NSD-Gel电子皮肤的温度传感性能。上述成果证明了NSD-Gel电子皮肤的抗热、抗冻和庇护性能，以及在恶劣情况下的不变温度传感。
图6 NSD-Gel电子皮肤 的细胞毒性、组织庇护和传感反响
综上，本文受天然皮肤的耐磨性和多功用性的启发，通过利用简单的一锅法战略连系甜菜碱、AgNPs和NaCl设想了一种基于天然皮肤的NSD-Gel电子皮肤。NSD-Gel电子皮肤具有3D胶原纳米纤维天然固有的条理构造，具有高功用质料负载才能，同时连结高机械强度、高导电性以及对人体和温度的适应性。此外，NSD-Gel电子皮肤集成了浩瀚生物功用和智能传感性能，在通明度、抗拉强度、保湿性、抗菌性、抗冻性、生物相容性、温度感测、湿度感测和应变感测。总的来看，所设想的电子皮肤有望在可穿戴电子产物、人机界面和人工智能的应用中供给多功用有机水凝胶平台。
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