陕科大王学川教授/刘新华副教授《Nano Energy》：用于睡眠质量检测的胶原基质仿生自供电电子皮肤

点击上方“蓝字” 一键订阅

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川教授/刘新华副教授团队报道了受皮肤启发的可穿戴自供电电子皮肤，可通过摩擦电纳米发电机收集人体机械量，同时具备检测压力和湿度等功能，并对睡眠质量可实现精准实时监测。相关研究成果发表于国际著名期刊Nano Energy上。

图1 单个电子皮肤像素的结构和基础性质

近年来，随着社会压力的增加和电子娱乐产品的兴起，青年和中年的睡眠质量逐渐降低。此外，老人和婴儿由于身体需要，更需要保持良好的睡眠状态。然而，大多数现有的睡眠监测设备存在精准度低、佩戴不舒服和需要外源电池等缺点。为此，该团队提出了自供电、多功能、透气、无毒、超薄、超轻、低成本的电子皮肤，用于评估睡眠质量。考虑到电子皮肤的耐磨性和敏感性在很大程度上取决于材料的生物相容性及其结构设计，文中对涉及原材料进行了选择、改性和结构设计，具体方法如下：(1) 从牛皮中提取的胶原聚集体（CA）作为正摩擦材料，并以N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷（KH-792）进行氨基化改性增加CA电荷密度、耐用性（>10000次循环）和疏水性（达到102°）。此外，通过静电纺丝制备了KH-792改性胶原聚集体纳米纤维（CA-NH₂ NFs），以保证透气性和穿着舒适性。(2) 人体皮肤的乳头产生的有效接触面，为神经末梢提供了更多的感应部位，提高了天然皮肤对刺激的敏感性。作为一种负摩擦材料，模拟真皮乳头的珠链聚偏氟乙烯纳米纤维（Bead PVDF NFs），在受到外部压力时增加了正负摩擦层的有效接触面积，以提高其灵敏度和发电密度。(3) 以掺杂了酸化碳纳米管的胶原聚集体纳米纤维（CA-M NFs）作为湿度传感层，并与摩擦电压力传感层组装形成多层纳米结构全纳米纤维多功能电子皮肤，具备重量轻（每个像素0.0241 g）、厚度低（0.20 mm）、透气性良好（18.5 mm s^–1）和生物相容性好（细胞存活率= 86.2%）等优点。更重要的是，压力信号可以通过相对湿度信号进行补偿，从而消除湿度对电子皮肤压力敏感度的影响。

图2 电子皮肤压力敏感性

图 2 表明了在 0–135 kPa 压力范围内具有较高的电压输出、压力灵敏度（0.32, 0.23 V kPa^–1）、功率密度（82.7 mW M^–2）和循环稳定性。这是因为负摩擦层在与多孔正摩擦层的接触分离过程中产生更大的有效接触面积，以及经过交联改性后的胶原聚集体作为负摩擦层具备更高的正电性和耐摩擦性能。另外，由于正负摩擦层的疏水性赋予压力传感层出色的疏水性，在较高的频率和多变的湿度环境下下仍能保持输出数据的稳定性，然而，湿度在极端干燥和潮湿的条件下仍然会对压力敏感层造成一定影响，文中给出不同条件下的拟合和补偿曲线以确保其精准性。另外，该电子皮肤通过转换机械能产生的电能可以通过整流器收集并为商用电容器充电和为小型电子设备供电。为了进一步证明压力感应层对极轻物体的敏感性，文章展示了电子皮肤受到40–215 mg物体的压力时的输出信号（图2i）。

图3 电子皮肤湿度敏感性

为了克服现有电子皮肤功能单一的缺点，文中通过逐层静电纺丝的方法组装了不同的功能层。在本研究中，CA–M NFs 被用作湿度传感层，其工作机制如图3a所示：全纳米纤维结构为湿度敏感层提供了大量水分子的渗透和逃逸的通道，并显着增加外部环境与湿度敏感层之间的接触面积，有利于减少响应和迟滞时间（20，33 s）。更重要的是，通过能量管理系统，压力传感层收集的机械能可以为湿度传感层提供电力，以便电子皮肤在需要时评估环境的湿度，这避免了外接电源影响电子皮肤的穿戴舒适性。图中也表明湿度传感层在较宽动态检测范围内（25-85% RH）具备高度敏感性和良好的线性关系（R²= 0.98），且在设定的湿度 (25-85% RH)下循环2000次后没有明显的信号衰减，证明了其耐久性。

图4电子皮肤睡眠质量检测

研究表明，有睡眠障碍的人患心脑血管疾病的可能性是睡眠正常的人的几倍，且睡眠质量差的人更容易衰老。通常，正常人的睡眠周期持续 90 至 100 分钟。根据 R&K 规则，睡眠周期分为三个阶段：快速眼动 （REM）、非快速眼动 （NREM）和清醒期（wake）。每个阶段在呼吸率 (RR) 和心跳率 (HR) 方面都有不同的特征。该电子皮肤通过检测人体的心跳和呼吸的频率波形通过同步RR和HR的数据，可以准确评估受试者的睡眠质量。此外，睡眠环境的相对湿度是影响睡眠的重要外部条件，湿度过高或过低都会严重影响人体睡眠时的舒适度。文中湿度敏感层以超高灵敏度收集睡眠环境的相对湿度，以便于受试者结合睡眠质量调节室内环境。

当然，该工作的研究人员也认为这种电子皮肤目前仍存在一些问题，在实际推广应用中存在着缺陷。例如：（1）该电子皮肤的成本仍然无法达到工业生产的水平；（2）柔性电极和非柔性电路之间的焊接存在问题；（3）压力传感器仍然需要频繁的人体机械运动才能储存到足够能量等。因此，相关的研究工作他们也正在不断地改进和完善。但相信，这种通过层层纺丝的办法制备的具有自供电能力的仿生多功能电子皮肤，有望提高电子皮肤的集成性、智能性和穿戴舒适性，并为睡眠检测、仿生皮肤和组织工程等领域的应用提供一些新的思路和启发。

相关成果以“Skin-inspired wearable self-powered electronic skin with tunable sensitivity for real-time monitoring of sleep quality”为题发表在Nano Energy（Nano Energy, 2021, 106682, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106682）上。陕西科技大学博士研究生岳欧阳为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院的王学川教授和刘新华副教授。感谢国家自然科学基金项目、咸阳市/温州市科学技术项目等对本工作的大力支持！

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106682

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多