​张立群院士/万鹏博教授《AFM》：仿生皮肤的类海胆微结构柔性电子器件，实现超灵敏人体交互传感！

柔性电子传感器在智能软机器人、可穿戴医疗诊断、人机界面等领域具有巨大潜力，因而引起了人们的广泛关注。然而，由于传感材料的电阻变化有限、传感材料与相应接触电极之间的接触电阻变化有限、弹性体基体的弹性模量较低等限制，柔性电子传感器要实现为长期人体运动监测和微小电生理信号检测提供高灵敏度、快速响应时间、可靠的循环稳定性、较低的检测限和较宽的传感范围，目前仍具有挑战性。

北京化工大学张立群院士、万鹏博教授等人受人体皮肤棘微结构可实现高度灵敏的触觉感知的启发，通过面对面组装聚己二酸丁二醇酯-聚氨酯（PBAPU）弹性体基体与涂有导电MXene的海胆状微结构，以及印刷叉指电极的PBAPU弹性体基底，制备了一种柔性电子传感器用于人体运动监测和微小电生理信号检测。PBAPU弹性体基体具有出色的拉伸强度（18.87 MPa）、高拉伸性（1190%）和与人体皮肤相当的弹性模量（1.7 MPa）。组装后的柔性电子传感器具有高灵敏度（高达784.02 kPa−1）、低传感极限（0.12 Pa）和可靠的循环稳定性（15000个周期），适用于智能人机界面。此外，PBAPU还具有高效的光热加热性能，可实现高效的光热治疗。该研究以题为“A Skin-Bioinspired Urchin-Like Microstructure-Contained Photothermal-Therapy Flexible Electronics for Ultrasensitive Human-Interactive Sensing”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【柔性电子传感器的制备】

对于高度敏感的人体皮肤，表皮和真皮中的棘微结构在传感信号放大和传输中发挥着重要作用。作者受高灵敏度人体皮肤微结构的启发，以天然菊花花粉粒微结构为模板，在PBAPU弹性体基体上引入涂有导电MXene的海胆状微结构，制造出了一种柔性多功能电子器件，用于人体运动监测和微小电生理信号检测。PBAPU弹性体是以聚己二酸丁二醇酯（PBA）为软段，4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）为硬段，1,4-丁二醇（BDO）为扩链剂制备而成。该基体具有出色的拉伸强度（18.87 MPa）、高拉伸性（1190%）和与人体皮肤相当的弹性模量（1.7 MPa）。因此，其能与人体皮肤高度贴合，展现出了在可穿戴柔性电子器件中的应用潜力。

【柔性电子传感器的传感性能】

当MXene浓度较低时，导电路径可能无法完全构建，但过量的MXene可能覆盖微观结构，导致相对较低的灵敏度。研究发现，当MXene浓度为0.12 mg cm−2时，该柔性电子传感器的传感灵敏度可达784.02 kPa−1，宽响应范围高达300 kPa，并且在相关的不同压力下可以保持可靠的传感响应。即使在测试了约15000个周期的循环传感响应后，传感器仍显示出优异的传感稳定性，在可穿戴设备的长期人体健康监测中具有巨大潜力。此外，该传感器具有快速的传感响应时间和恢复时间（11/10 ms），表明其具有低传感延迟和快速响应能力的特点。该传感器能够快速响应一朵花（质量为1.2 mg）产生的外部压力（0.12 Pa），展现出了较低的传感极限。

【柔性电子传感器的多功能应用】

由于该柔性电子传感器具有高灵敏度、宽传感范围、较低传感极限、快速响应时间和可靠的周期稳定性等特性，可用于人体运动监测（如肘部弯曲和闭塞）和微小电生理信号检测（如肌电图和心电图传感信号）。此外，包含涂有MXene纳米片海胆状微结构的PBAPU弹性体基体在近红外光功率密度为0.50 W cm−2的照射下，从室温到53.1°C只需约80秒，展现出了可靠的光热能力和快速加热速率，同时还具有可控温度调节和出色的光热稳定性，可实现长期健康传感诊断和关节炎的及时治疗。这为设计和制备具有可靠传感能力和高效光热治疗性能的多功能柔性电子器件，用于潜在的健康诊断传感和医疗铺平了道路，在智能电子皮肤、智能人机交互和个性化健康监测方面展现出巨大潜力。

结语：受人体皮肤高敏感微结构的生物启发，作者设计并制造了一种柔性舒适的多功能类皮肤传感器，用于实时个人健康监测和及时光热治疗。该传感器具有宽工作范围、超高灵敏度、低检测限、快速响应/恢复时间和出色的循环稳定性。此外，PBAPU弹性体基体还表现出快速的光热加热速率、可控的温度调节和卓越的光热稳定性。因此，这项工作为探索具有优异传感性能和按需光热治疗能力的高性能柔性电子产品开辟了新的视野，为个性化健康监测、智能人机界面和实时集成提供了理想的策略。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202306591

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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