南开大学梁嘉杰教授团队《Nano Lett.》：“压力-温度”双重传感气凝胶材料实现人体生理状态监测

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在现代医学中，对动脉脉搏波形的实时、无创监测，可诊断与动脉硬化，高血压，糖尿病等相关的心血管问题。此外，由于热和冷应激可影响血管的收缩和舒张，导致动脉硬度和径向压力的变化，在检测和分析动脉脉压波形的过程中同时监测人体体温的变化，具有重要意义。因此，急需发展具有高灵敏度，高分辨率，以及在人体生理温度范围内（30-40 ℃）对温度和压力刺激信号具有高辨别性的可穿戴多重传感器，以便应用于实时监测人体生理和健康状态。

近期，南开大学梁嘉杰教授团队利用二维过渡金属碳化物MXene与半结晶聚氧化乙烯（PEO）复合组装，制备具有相互独立的压阻效应（piezoresistive）和热阻效应（pyroresistive）的压力-温度双重传感气凝胶材料。该气凝胶材料具有独立双通道传感结构：一方面，半结晶PEO插入MXene片层间形成对温度响应的可压缩的多级层状孔壁结构。当受温度刺激时，半结晶PEO在30-40 ℃温度区间内熔融，并在纳米限域效应下在MXene层间流平，减少MXene层间距，通过隧穿效应减低电阻，产生温阻效应，使气凝胶具有高达-10.0% / ℃的负电阻温度系数以及高达0.2 ℃的温度响应精度。另一方面，柔性多孔孔壁结构具有大长径比，受力容易产生弯曲形变，产生压阻效应，使气凝胶可检测0.05 Pa的压力信号，压力传感灵敏度高达777 kPa^-1。这种独特的双传感通道设计使得MXene/PEO气凝胶对压力和温度双重刺激信号具有高精度的分辨性。利用MXene/PEO气凝胶组装可穿戴传感器件，可检测出具有不同重量和温度的水滴，还可以检测出人体在不同体温状态下的动脉脉压波形的特征峰变化情况。该工作以“Highly Sensitive Temperature–Pressure Bimodal Aerogel with Stimulus Discriminability for Human Physiological Monitoring”为题发表在《Nano Letters》上（Doi: 10.1021/acs.nanolett.2c01145）。文章第一作者是南开大学硕士生吴锦华，通讯作者为梁嘉杰教授和纪欣宜博士。

  
图1. MXene/PEO气凝胶的结构和双重传感机理图  
图2. MXene/PEO气凝胶检测人体不同体温下的脉搏特征峰变化

该工作是梁嘉杰团队今年在响应性气凝胶传感材料设计与制备的研究中取得的又一进展。该工作是在具有高灵敏度的压力传感气凝胶结构基础上（Nature Communications 2022, 13, 1119；Matter 2022, 5, 1547）的进一步突破，实现了高敏度、高分辨的压力-温度双传感气凝胶材料。近年来，梁嘉杰团队一直从事多功能纳米复合材料的制备与柔性电子皮肤的构筑的研究。设计高性能触觉传感材料，发展高灵敏传感机制，实现高效的柔性传感器件构筑，是柔性电子皮肤领域发展面临的重要挑战。针对此，团队基于高分子流变学Doi-Edwards理论，发展一系列可印刷高分子纳米传感复合材料，通过先进印刷打印技术构建可穿戴传感和功能器件整列（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479；Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987；Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794；Adv. Mater. 2018, 30, 1804165）。此外，团队提出了多重界面与多级结构协同策略，发展了一系列高性能的高分子纳米复合传感材料，实现了应变、压力、温度等触觉传感性能的在灵敏度、检测限、检测精度、以及使用寿命上的重要突破（ACS Nano 2019, 13, 649; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850; Mater. Hori. 2021, 8, 250；ACS Nano 2019, 13, 8124；Nano Lett. 2022, 22, 3784）。团队还深入探索了触觉传感机理，提出“电子-热电子”传感机制，制备了双响应纳米复合材料，实现对“应变-温度”双重触觉独立响应性（Nano Lett. 2020, 20, 6176）。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01145

梁嘉杰博士简介

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梁嘉杰，南开大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2011年博士毕业于南开大学高分子研究所；随后加入美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究工作；2014年加入美国Polyradiant公司；2016年加入南开大学材料科学与工程学院开展独立工作，建立柔性印刷功能器件实验室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子纳米复合材料及其在柔性印刷功能器件的构建和集成中的应用。研究领域涵盖高分子化学与物理、材料科学与工程、化学、电子工程学以及物理学等众多交叉学科。近年来发表论文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等国际著名期刊杂志，其中8篇入选ESI Top 1%高被引论文，论文他引8800多次。入选国家级青年人才项目，天津市中青年科技创新领军人才，并获天津市杰出青年基金。

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