华南理工何明辉和华中大苏彬《Chem. Mater.》： “聚合体积收缩构筑亚微米结构”辅助的3D打印超高灵敏度仿生离子皮肤
仿生离子皮肤通过模拟人体皮肤表皮层与真皮层之间的微结构来感知外部刺激并将其转化为电信号，在可穿戴电子设备、软体机器人和人体生理信号检测等电子和生物领域具有广阔的应用前景。然而，现有的报道常常采用刚性导电层与柔性基底复合来制作离子皮肤，由于两者间杨氏模量的差异使得所制备的器件在耐用性、灵敏度以及制备效率方面大打折扣。水凝胶基的仿生离子皮肤有助于缓解上述问题，但水分的蒸发降低了器件性能；而且水凝胶的饱水结构难以承受较大的压力。由此看来，开发便捷制备、高灵敏度、宽压力检测范围且耐久使用的仿生离子皮肤仍然是目前研究领域亟待解决的难题。
为解决上述问题，华南理工大学何明辉副研究员和华中科技大学苏彬教授在前期开发的“低共熔溶剂聚合物”（Poly(polymerizable deep eutectic solvent), Poly (PDES)）透明导电材料的基础上（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313; Chem. Commun., 2020, 56, 2771; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056; Chem. Mater., 2020, 32, 874; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 4890），调节PDES单体在光固化3D打印过程中的体积收缩，在离子皮肤互锁微结构上自发形成均匀且尺寸可控的亚微米级突起，增加器件的接触面积与压缩空间，从而实现超高的灵敏度（348.28 KPa-1）。此外，柔韧的超分子聚合物网络，加上离子导体内无液体特点使得制备的仿生离子皮肤可以承受超宽的压力检测范围（0.6 Pa-2 MPa）和具有优异的耐久使用性（在0.35 MPa下可进行45,000次循环）。
图1.仿生离子皮肤的制备过程
研究人员制备了丙烯酸/氯化胆碱（AA/ChCl）型PDES单体，作为光固化3D打印墨水的主要组分（如图1）。调节墨水的光引发剂含量，进而诱导体积收缩，控制离子皮肤表面形成的亚微米突起的尺寸（如图2）。通过扩大离子皮肤接触面积，获得较高的灵敏度。制备的器件感应红豆的微小压力刺激时，分别具有20 ms及40 ms的快速响应与恢复时间，优异的传感性能可以与人体皮肤相媲美（如图3e-f）。
图2.3D打印仿生离子皮肤的光学照片及其亚微米级突起的微观表征
图3.高灵敏度宽压力范围仿生离子皮肤的响应与恢复时间及其机械耐久性测试
高灵敏度仿生离子皮肤可组装成视觉压力传感器，根据承受压力的大小显示不同的颜色，从而通过视觉观察即可获取相应的压力值（如图4）。此外，由于该器件可以检测十分微小的压力，还可将其设计为人体脉搏信号检测器（如图5a-b），外接电压即可将人体脉搏跳动转化为稳定变化的电信号。针对该离子皮肤也可承受高压力的优点，研究人员还将其设计为真空压力设备的气压监测器。将两个由该皮肤组装的视觉压力传感器安装在真空干燥箱的上下壁，当视觉压力传感器检测到不同的气压时，会产生不一致的颜色，意味着真空干燥箱无法有效密封。这些出色的结果表明，基于Poly(PDES)的3D打印仿生离子皮肤凭借其超高的灵敏度和超宽的压力范围将在智能监控领域具有巨大的潜在应用价值。
图4.仿生离子皮肤作为视觉压力传感设备
图5.高灵敏度仿生离子皮肤的多功能应用
以上相关成果以“ Three-dimensional Printed Ultrahighly Sensitive Bioinspired Ionic Skin Based on Submicrometer-Scale Structures by Polymerization Shrinkage”为题发表在Chemistry of materials。论文的第一作者为华南理工大学博士生蔡玲，共同第一作者为华南理工大学陈广学教授，通讯作者为华南理工大学何明辉副研究员和华中科技大学苏彬教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c04581
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