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Nat. Nanotech.:网状结构设计,让电子皮肤变得“会呼吸”

人们所熟悉的一些临床诊断手段,例如心电图、肌电图和脑电图等,需要将电极粘到皮肤上感应并传递皮肤上的电信号到仪器,帮助医生监测患者的生命体征。另外,有类似功能的电子器件也可以帮助提高假肢的敏感度和响应水平。虽然这些电子器件可以很好的贴合在皮肤上,但是不透气的材质会阻碍出汗,如果长期使用甚至还可能引起刺激或炎症。在一些医疗和体育领域的研究中,常常要求对心率进行一年以上的连续监测,因而解决电子器件贴片的透气性问题显得尤为重要。


日前,来自东京大学Takao Someya教授(点击查看介绍)及其团队,基于纳米网(nanomeshes)结构,开发出一种超薄、轻便、可拉伸且高度透气的电子传感器(被称为“电子皮肤”),可以被直接、长期用于人体皮肤,且不会对皮肤产生刺激或是引发炎症反应。相关成果发表于Nature Nanotechnology 杂志上。

Takao Someya教授(左)。图片来源:University of Tokyo


类似黄金纹身的“电子皮肤”。图片来源:University of Tokyo


研究人员首先通过静电纺丝技术,将生物相容性良好的水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)的纳米纤维编织成网状。接着,在其表面覆盖薄薄一层金(厚度为70-100纳米)作为导电材料。使用的时候,将其放在皮肤表面并喷洒一些水,PVA会溶解并形成几十纳米厚的粘合剂层,从而使金纳米网粘附在皮肤上。这种透水透气的“电子皮肤”可以很好地贴合在不规则的皮肤表面,对皮肤纹理、指纹、皱纹都没有影响。要想去掉也很容易,洗一洗就行,PVA完全溶解之后金纳米网也就不会继续粘附在皮肤上了。

纳米网结构的“电子皮肤”的制备示意图。图片来源:Nat. Nanotech.


通过与皮肤科医师进行合作,研究人员研究了这种“电子皮肤”对皮肤的刺激性。在一周的时间内,在志愿者前臂上使用此种“电子皮肤”没有发现任何皮肤刺激或是炎症。而其他两种传统的基质——聚对二甲苯薄膜和硅树脂薄膜——则会发生轻微的反应,如瘙痒、刺激、干燥等。研究人员将该“电子皮肤”的这种优势归功于纳米网的多孔结构所带来的高透气性。

纳米网“电子皮肤”显示出极好的生物相容性。图片来源:Nat. Nanotech.


除了上述优点,这种纳米网“电子皮肤”还有非常好的柔性。在反复拉伸至原始长度的140%(类似人类关节处皮肤在伸直和弯曲时候的拉伸程度)之后,性能并没有明显下降。研究人员还成功地将其应用于皮肤无线传感器系统中。指尖微型传感器的触觉、温度、压力电信号可以通过露指手套上的无线传输器件传递到笔记本电脑中。此外,研究人员还用此纳米网“电子皮肤”检测来自弯曲肌肉的电信号,从而直接记录肌电图。

“电子皮肤”用于皮肤无线传感器系统。图片来源:Nat. Nanotech.


斯坦福大学的电子皮肤专家鲍哲南教授评论此项工作“透气性和贴合皮肤是该材料的主要优点”。尽管纳米网“电子皮肤”在记录肌电图中并没有超过传统的凝胶电极,但也足够检测出相应的信号。


Someya教授表示,他们会进一步提高材料的耐久性,并增加额外的功能,例如检测脉搏、血压和心率等。此外,他们还打算使用更加廉价的材料来替代金,以降低制造成本,创造便宜的一次性传感器。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Inflammation-free, gas-permeable, lightweight, stretchable on-skin electronics with nanomeshes

Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.125


导师介绍

Takao Someya

http://www.x-mol.com/university/faculty/44755


部分内容编译自:http://cen.acs.org/articles/95/i30/Gold-nanomesh-creates-breathable-electronic.html


(本文由供稿)


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