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北京师范大学刘楠教授团队《AFM》:生物可降解离电皮肤助力瞬态电子

2023/8/29 10:35:06  阅读:87 发布者:

可穿戴电子产品对人类社会的娱乐、医疗保健和人机交互等许多领域都产生了巨大的影响。然而,这些电子产品大多是由不可降解的无机或有机材料制成,不可避免地加剧了电子垃圾的产生。据报道,截止2019年电子垃圾的产量约为5360万吨,预计到2030年将达到7470万吨。为了缓解由电子垃圾引起的垃圾填埋和环境问题,瞬态电子(或可生物降解电子),其主要特征是能够在生理和环境介质中溶解或生物降解,是减少电子垃圾产生的关键技术。

近期,北京师范大学化学学院刘楠教授团队开发了一种高性能离电皮肤,具有高离子电导率,良好的皮肤顺应性和完全的生物降解性。因此,它能够准确地检测电生理信号,并大大减少了电子垃圾的产生。此外,它可以记录和刺激牛蛙坐骨神经上的神经电信号,并在3天内完全降解,无需额外的手术去除电极。相关工作以“A fully biodegradable and biocompatible ionotronic skin for transient electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

该离电皮肤由双网络离子凝聚构成,其中一层网络由具有优异生物兼容性、生物可降解性、抗菌性等特性的羧化壳聚糖(CCS)通过氢键相互作用构成,其本身还是一种聚电解质,可以提供良好的离子导电性。另一层网络由两性离子结构的磺酸基甜菜碱(SBMA)聚合后通过静电相互吸引构成,其主链上丰富的阴阳离子可以通过离子偶极和阳离子-π等作用与不同界面形成粘附。最后,丙三醇(Gly)和水提供了丰富的氢键结合位点,进一步提高整个网络的交联,使体系中的水不易挥发和凝结,提高了整体电极材料的耐用性(图一)。

图一 完全生物可降解与生物兼容的离电皮肤的构筑。

在室温下,该离电皮肤仅需3天即可在PBS溶液中完全降解,这主要归功于水溶性的CCS和盐溶液中SBMA聚合物交联片段的解离。通过理论计算和分子动力学模拟可知PBS溶液中丰富的阴阳离子破坏了SBMA聚合物原本通过静电相互吸引构成的交联体系,致使整个交联体系完全解离并最终溶于PBS溶液中(图二)。

图二 离电皮肤的降解机理。

得益于良好的离子电导率、皮肤顺应性和完全的生物降解性,该离电皮肤能够准确地检测电生理信号,并且还可以控制机械手进行人机交互(图三)。此外,它还可以记录和刺激牛蛙坐骨神经上的神经电信号,并在3天内完全降解,无需额外的手术去除电极(图四)。

图三 电生理测试与人机交互。

图四 动作电位记录和神经刺激的可生物降解电极。

该论文的第一作者为叶国博士。该研究获得了国家自然科学基金委的资助。

北师大刘楠课题组—可穿戴材料实验室真诚欢迎对该领域感兴趣的同学们加入,欢迎咨询:

nanliu@bnu.edu.cn

课题组网站:

https://www.x-mol.com/groups/liunan

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303990

转自:“高分子科学前沿”微信公众号

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