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北京師范大學(xué)劉楠教授團(tuán)隊(duì) AFM：生物可降解離電皮膚助力瞬態(tài)電子
2023-08-24  來(lái)源：高分子科技

  可穿戴電子產(chǎn)品對(duì)人類社會(huì)的娛樂(lè)、醫(yī)療保健和人機(jī)交互等許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的影響。然而，這些電子產(chǎn)品大多是由不可降解的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料制成，不可避免地加劇了電子垃圾的產(chǎn)生。據(jù)報(bào)道，截止2019年電子垃圾的產(chǎn)量約為5360萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到7470萬(wàn)噸。為了緩解由電子垃圾引起的垃圾填埋和環(huán)境問(wèn)題，瞬態(tài)電子(或可生物降解電子)，其主要特征是能夠在生理和環(huán)境介質(zhì)中溶解或生物降解，是減少電子垃圾產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)。



  近期，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉楠教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高性能離電皮膚，具有高離子電導(dǎo)率，良好的皮膚順應(yīng)性和完全的生物降解性。因此，它能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)電生理信號(hào)，并大大減少了電子垃圾的產(chǎn)生。此外，它可以記錄和刺激牛蛙坐骨神經(jīng)上的神經(jīng)電信號(hào)，并在3天內(nèi)完全降解，無(wú)需額外的手術(shù)去除電極。相關(guān)工作以“A fully biodegradable and biocompatible ionotronic skin for transient electronics”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。 該離電皮膚由雙網(wǎng)絡(luò)離子凝聚構(gòu)成，其中一層網(wǎng)絡(luò)由具有優(yōu)異生物兼容性、生物可降解性、抗菌性等特性的羧化殼聚糖（CCS）通過(guò)氫鍵相互作用構(gòu)成，其本身還是一種聚電解質(zhì)，可以提供良好的離子導(dǎo)電性。另一層網(wǎng)絡(luò)由兩性離子結(jié)構(gòu)的磺酸基甜菜堿（SBMA）聚合后通過(guò)靜電相互吸引構(gòu)成，其主鏈上豐富的陰陽(yáng)離子可以通過(guò)離子偶極和陽(yáng)離子-π等作用與不同界面形成粘附。最后，丙三醇（Gly）和水提供了豐富的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)一步提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)，使體系中的水不易揮發(fā)和凝結(jié)，提高了整體電極材料的耐用性（圖一）。 


圖一 完全生物可降解與生物兼容的離電皮膚的構(gòu)筑。


  在室溫下，該離電皮膚僅需3天即可在PBS溶液中完全降解，這主要?dú)w功于水溶性的CCS和鹽溶液中SBMA聚合物交聯(lián)片段的解離。通過(guò)理論計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬可知PBS溶液中豐富的陰陽(yáng)離子破壞了SBMA聚合物原本通過(guò)靜電相互吸引構(gòu)成的交聯(lián)體系，致使整個(gè)交聯(lián)體系完全解離并最終溶于PBS溶液中（圖二）。 


圖二 離電皮膚的降解機(jī)理。


  得益于良好的離子電導(dǎo)率、皮膚順應(yīng)性和完全的生物降解性，該離電皮膚能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)電生理信號(hào)，并且還可以控制機(jī)械手進(jìn)行人機(jī)交互（圖三）。此外，它還可以記錄和刺激牛蛙坐骨神經(jīng)上的神經(jīng)電信號(hào)，并在3天內(nèi)完全降解，無(wú)需額外的手術(shù)去除電極（圖四）。 


圖三 電生理測(cè)試與人機(jī)交互。 


圖四 動(dòng)作電位記錄和神經(jīng)刺激的可生物降解電極。


  該論文的第一作者為葉國(guó)博士。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。北師大劉楠課題組—可穿戴材料實(shí)驗(yàn)室真誠(chéng)歡迎對(duì)該領(lǐng)域感興趣的同學(xué)們加入，歡迎咨詢：nanliu@bnu.edu.cn課題組網(wǎng)站：https://www.x-mol.com/groups/liunan


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303990

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