厦门大学郭文熹/刘向阳教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：在可拉伸耐高温蛋白基电子皮肤上取得进展

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可穿戴功能型电子皮肤可用于检测人体的各项指标，如温度、湿度、压力和呼吸等。传统的PET、PI等高分子合成材料由于生物相容性，降解性以及透气性差等缺点，限制了其在体表/体内的人体健康检测方面的应用。蚕丝蛋白具有良好的生物降解和相容性，是一种非常有前景的表皮以及植入式电子器件材料，然而，其固有的脆性和较差的热稳定性限制了其应用。鉴于此，厦门大学物理科学与技术学院郭文熹教授、刘向阳教授等人利用再生丝素蛋白(SF)与聚氨酯之间的强相互作用（如图1a），通过介观掺杂的方法制备出坚固耐热（>160℃）的丝素蛋白复合膜(SFCMs)。

图1.（a）蚕丝复合薄膜的制备。（b）蚕丝基控温型电子皮肤的制备。（c）蚕丝基控温型电子皮肤贴附于人体脖子、手臂。

图2. （a）贴附于手臂的蚕丝复合薄膜图。（b）蚕丝复合薄膜的透光度测试图。（c）纯蚕丝薄膜和蚕丝复合薄膜的拉伸曲线。（d）纯蚕丝、纯聚氨酯和蚕丝复合薄膜的傅里叶红外测试图（e）不同温度处理后，蚕丝复合薄膜的形态（f）不同温度处理后，蚕丝复合薄膜的傅里叶红外测试图。

研究表明，该蚕丝蛋白薄膜可以通过溶液法大面积的制备，在400-2000nm的范围内均具有极好的透光率（＞90%），在机械柔性方面，复合膜可以承受超过200%拉伸率，远大于纯蚕丝薄膜（如图2）。同时，热处理温度高达160°C。由于SFCMs具备这些优点，传统的微机械加工技术，如喷墨打印，可以在这种蛋白质衬底上印刷柔性电路（可高温后处理电极），这将克服蛋白质柔性材料难以兼容传统加工工艺的难点，大大拓宽其在柔性电子器件方面的应用。

图3. （a）蚕丝基加热测温电子皮肤示意图和实物图。（b）阵列型控温电子皮肤在发热后，每个感温单元的电阻变化对应的温度分布示意图和（c）实际的热像仪检测图。（d）控温电子皮肤的感温单元测得的温度与实际检测温度的误差值。（e）控温电子皮肤贴附于皮肤表面引起的反应。（f）控温电子皮肤被降解。

在蛋白质薄膜加热控温器件的研制中，本工作创新性的设计出三明治的夹层结构器件。通过在复合膜两面分别构筑高机械柔性的金属纳米丝来实现加热与测温。在加热方面，将银的纳米纤维丝与此SFCM结合，得到柔性可穿戴的蛋白基加热器，该加热器能量密度达到152.2 °C W⁻¹ cm²。在75%拉伸下，其发热温度变化小于10%。除了稳定的焦耳加热性能，该加热器通过热致变色原理，作为电子皮肤，能在特定环境下对人体进行伪装。对丛林作战的士兵，具有一定的掩护和发出信号作用。在控温方面，将铂纳米网络与SFCM结合，可得到的Pt NFs/SFCM测温元件。如图3，将铂纳米网络结合到SFCM上后，用模板法分隔成5*5的阵列型感温元件，并结合喷墨打印法制备电路。研究表明（图3b,3c,3d），这种阵列型测温器能较精确的获得加热器发热的温度分布图和每个单元的温度值。可以实现皮肤的加热与智能控温，当加热器用于消除炎症、治疗风湿等疾病时，能避免发热过度而引起健康安全事故。

同时，该研究也证明了控温型蚕丝基电子皮肤的生物相容性与降解性，消除了因合成材料引起大量的电子垃圾的顾虑，且能较好地实现规模化控温加热功能。

相关成果以“Stretchable and Heat-Resistant Protein-Based Electronic Skin for Human Thermoregulation” 为题发表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020, 1910547) 上。论文的第一作者为厦门大学硕士生黄嘉妮，共同第一作者为厦门大学博士生许子颉、博士后邱武，通讯作者为刘向阳教授和郭文熹教授。

论文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910547

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