广西大学徐传辉副研究员《ACS AMI》：具有抗菌作用的导电胶膜用于应变和湿度传感器

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近年来，橡胶因其优异的弹性与物理机械性能，被广泛作为柔性电子材料的基体用于穿戴/可植入设备。当导电橡胶作为元器件应用于传感器监测人体运动情况时，经常的剧烈运动会使人体汗渍浸润至电子设备内部从而滋生有害的致病菌。通过在橡胶基体中添加纳米银构筑导电通路可同时赋予橡胶导电性能与抗菌效用。然而纳米银复合材料的制备步骤往往较为繁琐，一般情况下，都需要先制备出纳米银，随后再添加进基体中。此外，为了赋予其优异的导电性能，往往需要加入大量的纳米银，并且对其进行高温烧结，从而减少纳米银之间的接触点数目，以减少接触电阻，这在无形之中增加了成本，限制了纳米银导电橡胶更为广泛的应用。

图1. 扫描电镜（SEM）和透射电镜(TEM)图像。（a）XSBR/CA-20的SEM图像；（b）、（c）XSBR/CA-20/Ag的SEM图像；（d）XSBR/CA-20的TEM图像；（e）、（f）XSBR/CA-20/Ag的TEM图像。

基于上述问题，广西大学化学化工学院徐传辉副研究员团队通过简单混合羧基丁苯（XSBR）胶乳、柠檬酸（CA）与少量硝酸银，在成膜过程中，利用CA原位还原硝酸银获得纳米银 (Ag NPs)（图1）。由于胶乳粒子平均尺寸在200nm左右，Ag NPs受到CA的定位作用处于胶乳粒子界面处。因而从复合胶膜整体角度来看，Ag NPs粒子簇获得纳米级分散效果，能有效地提高胶膜的机械性能，最大应力到达4.18MPa（纯的XSBR为1.9MPa）。值得注意的是，胶膜自然成型而未经硫化与模压，其机械性能在进行硫化热压后有望进一步提升以适应各种实际应用。基于橡胶基体的弹性与Ag NPs的良好导电性，胶膜在穿戴传感器方面具有潜在的应用性，如监测手指活动（图2）。此外，CA能够吸收水气以产生更多的导电通路，而吸收的水分子能使其部分解离增加导电介质，因而胶膜还可用于对空气相对湿度增减的响应检测（图3）。

图2. XSBR/CA-20/Ag被用做应变传感器来监测手指的运动。（a）电流的变化随着手指不连续的弯曲；（b）(I₀-I)/I₀的变化随着手指多次的连续弯曲，其中I₀是样品在应变为0时的电流大小，I是样品在不同应变下电流的大小。

图3. XSBR/CA-20/Ag被用于湿度传感器。（a）样品在不同相对湿度下（RH=23%、50%、75%和95%）电流随时间的变化；（b）样品从低湿度到高湿度过程中，电流随时间的变化；（c）样品从高湿度到低湿度过程中，电流随时间的变化。

图4. （a）样品对金黄色葡萄球菌的抗菌效果：（a₁）、（a₂）抑菌圈法；（a₃）浊度法，随着培养时间增加，样品在600nm处吸光度的变化。（b）样品对大肠杆菌的抗菌效果：（b₁）、（b₂）抑菌圈法；（b₃）浊度法，随着培养时间增加，样品在600nm处吸光度的变化。在a₃和b₃中，I：LB 培养基，II：金黄色葡萄球菌或大肠杆菌，III：XSBR，IV：XSBR/CA-10，V：XSBR/CA-20，VI：XSBR/CA-30，VII：XSBR/CA-40，VIII：XSBR/CA-50，IX：XSBR/CA-60，X：XSBR/CA-20/Ag。

理论上CA呈酸性，当酸性达到一定程度时，能抑制细菌的生长。值得注意的是XSBR/CA-20样品不能产生明显的抑菌圈（图4b₁），而XSBR/CA-20/Ag（导电胶膜）则出现了明显的抑菌圈，具有显著的抑菌能力。吸光度（OD₆₀₀）的测试结果表明（图4a₃、b₃），曲线X（含导电胶膜）的OD₆₀₀仅比培养基的（曲线I）稍高，说明对比其他样品，导电胶膜具有更长效的抗菌活性。

该研究成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI：10.1021/acsami.0c10101），论文的第一/通讯作者为徐传辉副研究员，第二作者为广西大学化学化工学院博士生郑仲杰。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10101

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