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刘楠老师Mater. Horiz.文章介绍

发布时间: 2021-02-01  浏览次数:

瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极

 

瓣鳃类动物例如贻贝、牡蛎或蛤等可以利用其足丝牢固地附着在岩石表面,从而能在潮涨潮汐过程中生存下来。这种可伸展、能自愈的粘性足丝主要归咎于其两相结构特征:儿茶酚-金属离子配合物作为硬域提供刚度,硫醇或二硫键作为软域耗散能量用以实现可伸展性,动态配位键与二硫键赋予其自愈能力,羟基、硫醇或二硫键与接触表面作用从而具有一定粘性。

受上述瓣鳃类动物足丝结构启发,刘楠教授团队设计并合成了一种类皮肤弹性体,该弹性体具有极高的断裂伸长率(Stretchability>2300%)和透明性(Transparency>90%@550 nm),温和的粘性(Adhesiveness)和快速的自治愈能力(Rapidly self-healing),取这些性能首字母将该弹性体命名为STAR通过理论计算、单分子力光谱和红外光谱表明STAR由强的动态氢键和弱的动态二硫键组成,其中动态键的梯度断裂可以进行能量耗散,动态氢键和二硫键的协同作用让其兼具可拉伸性、粘性和自愈性。结合银纳米线可以制备出兼具透明、可拉伸、自修复、生物兼容的表皮电极,它可以准确记录电生理信号并且控制机械手进行人机交互。这种表皮电极为一套同时兼具透明、可拉伸、自治愈、粘附和生物兼容的新型表皮电子器件提供了广泛的应用前景。

 

图一.瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极示意图。(a)一只贻贝通过其足丝附着在另一只贻贝上面。(b)瓣鳃类动物足丝软硬部分的化学结构。(c) STAR的化学结构和拉伸后的两个动态键变化。(d)电生理信号监测的示意图。

 

图二.电生理信号检测和人机交互。(a)STAR电极(b)自治愈后的STAR电极以及(c)商用凝胶电极记录的心电信号。(d)STAR电极(e)自治愈后的STAR电极以及(f)商用凝胶电极记录的肌电信号。(g-i)STAR电极控制机械手进行人机交互,可以识别不同的手势:(g)伸手,(h)“ i-love-u”手势,以及(i)握拳。

 

该工作得到了国家自然科学基金(21903007, 22072006)、青年千人计划、中央高校基础研究基金和北京市科委的资助,同时也感谢北京化工大学何程智研究员的帮助。相关成果近期发表于期刊《Materials Horizons》:A Lamellibranchia-inspired epidermal electrode for electrophysiology. Guo Ye, Jiakang Qiu, Xiaoyu Fang, Tianhao Yu, Yayan Xie, Yan Zhao, Dongpeng Yan, Chengzhi He,* Nan Liu*. Mater. Horiz. 2021. DOI: 10.1039/D0MH01656J。北京师范大学是该工作第一单位,文章第一作者为博士生叶国。

 

论文链接:https://doi.org/10.1039/D0MH01656J

 


 
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