取材海藻与甜菜衍生物“离子皮肤”重塑皮肤感知能力洪恒飞科技日报记者江耘“离

洪恒飞科技日报采访人员江耘
“离子皮肤”是一种模拟人类皮肤感知应力、温度等多重功能的柔性电子器件。近年来，一系列基于弹性体和水凝胶的导电型柔性材料接连问世，但大多通过优化和提高单一性能来满足特定的应用需求。为契合未来商业化“离子皮肤”的高要求，科研人员在研制过程中，越发注重其综合性能的平衡和提升。
采访人员9月23日从中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉，该所生物医用高分子材料团队陈静博士等研究人员通过选择海藻酸盐、两性离子单体磺酸甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）和亲水单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）为制备原料，发展了一类集超拉伸、高透明、自粘附、可3D打印、生物相容等多功能于一身的离子导电水凝胶材料。相关研究论文不久前以封面文章形式发表于国际知名期刊《材料化学》。

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“离子皮肤”概念图中科院宁波材料所供图
离子电信号传输应变/温度双重传感
皮肤本身即人体的传感器，当受到外界机械力刺激后，会将刺激转变成电信号，然后通过神经元传入大脑皮层，从而使人体获得感知能力。因此，建立起相似且敏感的信号传导机制是离子皮肤材料得以应用的前提。
陈静等人首先利用钙离子络合作用构建多糖网络骨架，保证凝胶材料具有一定的力学强度，再通过原位引发SBMA和HEMA共聚，在多糖网络中构建完全基于非共价作用的半互穿网络结构。
陈静解释道，海藻酸钙骨架网络保证了材料的力学刚性，而通过非共价交联作用构建的半互穿网络又赋予了凝胶一定的力学韧性和挤出打印性，让材料在宏观上的单轴拉伸率可达1000% ，此外，链间多种非共价作用可大大抑制多糖结晶微区生成，凝胶高度透明，其可见光透过率高达97%以上，粘附性聚两性离子的存在使得材料具有普适粘附性，其中对猪皮的粘附强度能达到14 kPa 。
陈静告诉采访人员，这些优点大大提升了这种新型水凝胶材料的综合性能表现，与目前导电水凝胶用于柔性传感材料研究相比优势明显。通过在多糖网络中引入富电性两性离子聚合物链为离子电信号传输提供通道，该水凝胶的电导率可达0.39 S/m ，这与常见的锂离子导电材料不相上下。

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陈静等人开发的离子导电水凝胶材料中科院宁波材料所供图
实验过程中，科研人员拉伸或压缩该材料时，材料的离子导电网络发生形变，宏观上表现出材料的电阻变化率随应变发生快速响应，其拉伸和压缩模式下的应力传感灵敏度最高可分别达3.26和7.34 ，可满足传感器件的使用需求。该材料在长达10000次的循环压缩测试中，表现出较为稳定的信号传感能力。
陈静向采访人员介绍道，温度也会影响离子导电网络的微观结构，水凝胶的电导率随温度上升而逐渐提高。通过测量，经封装的这一水凝胶材料在2~40 oC和40~70 oC两个温度范围内，具有良好的线性响应规律，其温度传感灵敏度分别为0.69%/oC和2.39%/oC ，与现有大多数柔性导电材料相比显著提升。
多重信号采集建立智能监测新模态
皮肤大面积缺损或者截肢手术，往往给患者造成感知能力丧失。帮助患者重建皮肤感知功能，是医学上一个待解决的痛点。另外，多重信号同步采集有助于临床医生对病人的关键多重生理信号进行同步且持续地监测和分析，进而建立人体精神状态的生理变化指征关系，为临床诊断和治疗提供详实的数据基础。