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廈門大學(xué)葉美丹教授團(tuán)隊(duì) CEJ：默克爾細(xì)胞啟發(fā)的類皮膚混合水凝膠用于可穿戴健康監(jiān)測

時(shí)間：2023-01-03 來源： 瀏覽：

廈門大學(xué)葉美丹教授團(tuán)隊(duì) CEJ：默克爾細(xì)胞啟發(fā)的類皮膚混合水凝膠用于可穿戴健康監(jiān)測

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收錄于合集
#多孔網(wǎng)絡(luò)水凝膠 2 個(gè)
#明膠 2 個(gè)
#MXene 40 個(gè)
#靈敏度 2 個(gè)
#智慧健康檢測 2 個(gè)

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研究背景：
近年來，水凝膠由于其柔軟、柔韌和可設(shè)計(jì)的特性，在類皮膚材料上備受關(guān)注。然而，在模擬皮膚的機(jī)械功能上仍然存在挑戰(zhàn)。例如，理想的類皮膚材料應(yīng)具有優(yōu)異的柔韌性和敏感性，并在長時(shí)間的循環(huán)負(fù)荷下保持穩(wěn)定。然而，迄今為止，大多數(shù)水凝膠都不能滿足這些性能要求，并且經(jīng)常表現(xiàn)出非常大的滯后性。

文章簡介：
近日，廈門大學(xué)的 葉美丹教授、楊云工程師 等在《 Chemical Engineering Journal 》期刊上發(fā)表了題為 “ Merkel cell-inspired skin-like hybrid hydrogels for wearable health monitoring ” 的文章（ DOI: 10.1016/j.cej.2022.140976 ）。為提高水凝膠的機(jī)械性能和傳感性能，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有皮膚特性的聚丙烯酰胺 / 明膠 /MXene 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（ PGMH ）。一方面，明膠鏈的引入顯著提高了混合水凝膠的拉伸性能和鎖定 MXene 的能力；另一方面， MXene 納米片的加入明顯增強(qiáng)了 PGMH 的電學(xué)和力學(xué)性能。此外，受默克爾細(xì)胞在皮膚中的靜態(tài)力特性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有低壓檢測限（ 0.508 Pa ）和高靈敏度（ 14.117 kPa -1 ）的仿生柔性壓力傳感器（ SLPS ）。在該設(shè)計(jì)中，微柱陣列結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的電阻 - 電容雙響應(yīng)，其傳感性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他報(bào)道的柔性壓力傳感器，并通過簡化電路模型和有限元方法分析提出了對 SLPS 的基本理解。最后，為了模擬默克爾細(xì)胞在皮膚中的區(qū)域化分布，實(shí)現(xiàn)了基于 SLPS 的多路復(fù)合傳感陣列，并成功應(yīng)用于可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域，包括運(yùn)動監(jiān)測、心電圖檢測、不同表皮中的脈搏檢測和足底健康監(jiān)測。該方法收集到的數(shù)據(jù)對人類保健或自我健康檢測很有幫助，這對智慧醫(yī)療的發(fā)展非常重要。
正文簡介：
圖 1 PGMH 的表征： (a) PGMH 的合成路線， (b) PGMH 的交聯(lián)機(jī)理， (c) PAM 鏈的交聯(lián)結(jié)構(gòu)， (d) 明膠結(jié)構(gòu)， (e) MXene 的原子結(jié)構(gòu)， (f) PGMH 的 SEM 圖像， (g) PH 、 PGH 、 PMH 和 PGMH 的 FTIR 光譜， (h) 關(guān)節(jié)區(qū)彎曲半徑約 8.9 mm 的 PGMH 附著在手上的照片。
圖 2 PGMH 的性質(zhì)： (a) PMH 和 PGMH 的成膠能力， (b) 不同明膠含量 PGH 和 (c) PH 、 PGH 和 PGMH 的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線， PGMH 在不同循環(huán) 600% 應(yīng)變時(shí)的加卸載拉伸曲線 (d) 和不同應(yīng)變時(shí)的加卸載拉伸曲線 (e) ， (f) PGMH 阻抗 - 頻率圖， (g) 不同拉伸應(yīng)變下 PGMH 的 I - U 曲線， (h) PGMH 在 70% 應(yīng)變和 0.9 Hz 頻率下循環(huán) 3000 次， (i) PGMH 與一些報(bào)道的水凝膠的比較。
圖 3 模擬皮膚壓力傳感器 (SLPS) 的特性： (a) 受默克爾細(xì)胞啟發(fā)的 SLPS 示意圖， (b) 微柱陣列結(jié)構(gòu)的 PGMH ， (c) 超低壓下 SLPS 的檢出限， (d) 不同低壓和 (e) 不同低頻下 SLPS 的靜力響應(yīng)。
圖 4 SLPS 的傳感特性及應(yīng)用： (a) SLPS 的相對電阻壓力曲線， (b) SLPS 的相對容壓曲線， (c) SLPS 的壓縮響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間， (d) 在 0.38 Hz ( 超過 10,000 s) 下 4000 次循環(huán)的穩(wěn)定性測試， (e) SLPS 與最近報(bào)道的其他水凝膠壓力傳感器的比較， (f) 頸動脈 SLPS 的狀況監(jiān)測， (g) 頸動脈 SLPS 脈沖信號放大， (h) 連接 “ 寸 ”( 遠(yuǎn)端 ) 、 “ 關(guān) ”( 中間 ) 、 “ 尺 ”( 近端 ) 檢測動脈周圍的 SLPS 。
圖 5 SLPS 的傳感機(jī)理： (a) SLPS 幾何模型， (b) 指間電極截面內(nèi)的電場分布， (c) SLPS 截面內(nèi)電場分布示意圖， (d) SLPS 等效電路簡化過程， (e) 利用 COMSOL 軟件模擬施加壓力下 SLPS 的應(yīng)力分布， (f) 有壓力和無壓力時(shí)應(yīng)力分布的模擬結(jié)果。
圖 6 陣列 SLPS 及其足底健康應(yīng)用： (a) 可穿戴多路復(fù)合傳感陣列示意圖， (b) 繪制 7 個(gè)傳感單元的電阻分布圖， (c) 3 個(gè)傳感單元的電阻信號， (d) 無線穿戴式足底監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場景， (e) 基于 SLPS 的鞋墊示意圖， (f) 65 公斤的成年人使用 WPMS 時(shí)腳后跟單個(gè)傳感器所受的力， (g) 模擬人體在 WPMS 上行走 300 次， (h) 由足底監(jiān)測系統(tǒng)識別正常足和平足， (i) 評估和分類足底狀況， (j)“ 柔韌平底足 ” 志愿者全深蹲時(shí)足底力的動態(tài)分布， (k) 正常行走時(shí)足底力的動態(tài)分布。

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140976

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