西南交大周绍兵教授、谢辉副教授《Adv. Funct. Mater.》:基于可降解形状记忆离子凝胶的可适形柔性传感器件

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康复训练是治疗因中风或肌肉萎缩引起的手部瘫痪等病症的主要途经，在康复训练过程中及时采集和分析人体运动数据对于提升康复质量具有重要作用。近年来，柔性可穿戴传感器件因其具有将机械信号转换为电信号的显著优势受到了广泛的关注，它可以通过获取、分析和储存人体日常运动和生理活动产生的相关信息来反馈人体状态，在个性化和即时性的医疗保健中具有巨大的应用前景。将柔性传感器件与机械康复装置联用可以为医护人员实施反馈患者康复训练效果，继而为优化康复方案提供数据参考。柔性可穿戴器件与人体部位的适形贴合是长时精确收集物理信号的关键，然而，当前报道的柔性可穿戴传感器件通常是静态的、形状不可调节的，在适形贴合方面存在较大难度。尽管水凝胶因其柔软和可拉伸性较多地用于皮肤适形贴合，但其易失水的特点导致其无法长期稳定使用，特别是康复训练中人体运动还将加速失水过程。此外，当前柔性可穿戴器件大多基于不可降解材料进行设计，在废弃后对生态环境可能产生影响。选用可降解高分子材料是减小电子材料对环境污染的有效途径，然而常用的诸如聚乳酸、聚己内酯等可降解材料在室温下呈现极差的可拉伸性，因而无法直接用于制备柔性可穿戴传感器件。因此，开发兼具形状可编程和降解性的智能软材料用于柔性可穿戴传感器件具有重要的意义。

基于此，西南交通大学医学院（生物医学工程研究院）周绍兵/谢辉团队设计了一种基于聚乙二醇-聚己内酯交联网络（⁶PEG-PCL）和离子液体（IL: [EMIm][NTf2]）的可降解形状记忆离子凝胶（⁶PEG-PCL/IL）,并据此设计了用于辅助康复训练的柔性可穿戴传感器件。其中，⁶PEG-PCL 具有可降解性，同时作为形状记忆功能单元。而IL的引入不仅使离子凝胶具有导电性，更为重要的是将通常表现为塑料力学行为的⁶PEG-PCL转变为类似弹性体的软材料。这一现象的本质是二者间的相互作用（由密度泛函理论计算、核磁共振氢谱和傅里叶变换红外光谱论证）。基于以上材料设计思路，所制备的最优离子凝胶（⁶PEG-PCL/IL₁）具有良好的导电性（电导率达到 45 mS/m）、可拉伸性（类似弹性体拉伸行为和较低的残余应变）和优异的形状记忆性能（形状固定率和回复率均大于99%）。

图1. 离子凝胶（⁶PEG-PCL/IL）的化学结构（a）、力学性能（b、c）和形状记忆性能（d、e）

得益于离子凝胶的良好拉伸性，利用⁶PEG-PCL/IL₁组装的柔性可穿戴传感器件具有宽监测范围，应变范围为0.3-110%，且具有优异的应变响应稳定性，在不同应变、不同应变速率以及循环应变加载情况下均能稳定采集信号。而优异的形状记忆功能使得柔性可穿戴传感器件具有与人体关节部位三维结构相适应的能力，例如，腕部、手指和鼻子等部位，其本质是利用临时形状的固定过程。最后，将离子凝胶基柔性可穿戴传感器件与常用的手指康复手套联合使用，可以通过记录手指弯曲过程中的电信号来获取手指运动速度和程度等关系到康复训练效果的实时指标，这可以为医护人员及时制定合理的康复训练方案提供参考。研究结果同时表明，经过形状编程从而能够与手指发生一定程度适形贴合的离子凝胶基柔性可穿戴传感器件具有更为稳定的应变响应性能。这证实了形状记忆功能设计是实现柔性传感器件适形穿戴的可行思路。

图2. 基于⁶PEG-PCL/IL₁的柔性可穿戴传感器件的应变响应性能：（a-c）不同应变；（d）不同应变速率；（e）循环应变加载

图3. 基于形状记忆离子凝胶的可适形穿戴传感器件在辅助康复训练中的潜在应用

总之，本工作设计制备了可降解形状记忆离子凝胶，并将其用于具有辅助康复训练应用前景的柔性可穿戴传感器件，这将为开发兼具环境友好性和形状自适性的智能柔性可穿戴传感器件提供思路。

以上研究近期以“Biodegradable Shape-Memory Ionogels as Green and Adaptive Wearable Electronics Toward Physical Rehabilitation”为题发表于Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202303292), 第一作者为西南交通大学医学院（生物医学工程研究院）博士生武珊珊，通讯作者为周绍兵教授和谢辉副教授。该研究得到了国家自然科学基金、四川省科技计划项目，以及西南交通大学软物质交叉研究团队建设项目、医工结合专项和优秀博士学位论文培育项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202303292

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