西安交大科研人员在工程化水凝胶可穿戴医疗传感领域取得重要进展

凝胶 柔性 传感器 穿戴 器件
西安交通大学    2021-08-27    187

柔性可穿戴电子器件能直接贴在皮肤表面,实现人体生理信息的原位、实时及连续监测,在个性化医疗领域具有极其可观的应用前景。然而,现有的柔性可穿戴传感器多基于石墨烯、Ecoflex、织物等材料,因存在器件-皮肤界面机械强度失配、穿戴不适、生物相容性不足等问题,难以实现广泛应用。水凝胶是一种高含水量的三维网状聚合物,具有优异的生物相容性和接近人体皮肤的弹性模量,成为发展下一代柔性可穿戴传感器的理想选择。然而,发展水凝胶柔性传感器仍面临以下挑战:1、水凝胶容易失水,进而引起机械、电学等性能发生改变,导致器件性能不稳定;2、高含水量增加水凝胶与其它基底或电极材料之间的键合难度。解决水凝胶的水分蒸发和弱界面粘接问题,提升耐用性和长期稳定性,以及开发低成本、大面积水凝胶柔性器件制备技术是实现其工程化应用的关键。

为此,西安交通大学蒋庄德院士、赵立波教授团队和加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授课题组首次探索了明胶-甲基丙烯酸酯水凝胶(Gelatin methacryloyl,GelMA)用于发展柔性触觉器件的可行性,研发了一种基于GelMA的高灵敏度、透明、皮肤适形、可完全溶液加工的柔性可穿戴触觉传感器,有效克服上述难题,并实现了在人身体上的可穿戴医疗应用。该GelMA柔性传感器可经受住3500多次循环压力作用,在72小时内能保持测量性能稳定,并可实现低成本、大面积制备,为实现水凝胶柔性传感器的工程化应用带来了新希望。

(a)GelMA水凝胶柔性触觉传感器的结构设计示意图(b)完全基于溶液加工的制备技术

(c)GelMA水凝胶柔性触觉传感器照片(d)GelMA水凝胶触觉传感器的循环试验结果

该水凝胶柔性触觉传感器采用电容检测原理,利用GelMA为介电弹性体,通过压力感知来实现人体生理信号检测。研究人员提出了一种可完全溶液加工的电容压力传感结构,将GelMA作为核心介电弹性体,通过在其两侧设置一层辅助键合层(如PDMS层)来控制水分蒸发。通过将辅助键合层表面化学处理,并采用紫外光照射的方法来实现其与GelMA之间的化学键合,以增强器件结构坚固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化学处理等工艺,开发了一种完全溶液加工的低成本、大面积制备技术。该结构设计策略及制备技术具有普适性,可用于发展其它水凝胶柔性触觉传感器。此外,由于GelMA介电弹性体、PEDOT:PSS电极、辅助键合和基底层均为透明材料,整个器件具有很好的透光性,对发展隐形可穿戴电子有重要意义。

该研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”为题近日在国际知名期刊 Advanced Functional Materials (IF=16.836)上在线发表,并被选为封面文章。西安交通大学机械学院李支康副教授为论文第一作者,西安交通大学机械学院赵立波教授、香港大学张世明助理教授以及加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者。此外,西安交通大学机械学院副教授罗国希、生命学院助理教授刘灏、前沿院博士生薛语萌共同参与了此项工作。

该研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后国际交流计划派出项目等项目的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003601

赵立波教授主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/libozhao

李支康副教授主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhikang-li

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