材料科學和功能性納米材料的最新進展推動了可穿戴壓力傳感器的快速發(fā)展，尤其在電子皮膚、疾病診斷、人機界面、醫(yī)療保健、生物監(jiān)測和人工智能（AI）等應用領域備受關注。高性能柔性材料對于可穿戴壓力傳感器的開發(fā)至關重要，這些材料能夠使器件更好地實現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍、機械穩(wěn)定性、快速響應/恢復時間等關鍵特性，從而滿足長期、低成本、舒適性等全方位的生物監(jiān)測需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的研究團隊提出一種新型復合水凝膠，可作為靈敏的壓阻式壓力傳感器，用于各種生物醫(yī)學應用，包括可穿戴皮膚貼片、集成式人工皮膚、脈搏和血壓測量，以及作為自供電麥克風實現(xiàn)監(jiān)測聲音等。相關研究成果以“Conductive Peptide-based MXene Hydrogel as a Piezoresistive Sensor”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

這項研究所提出的水凝膠由含有芳香族、帶正負電荷氨基酸的短肽Fmoc-FF與二維Ti?C?Tz MXene納米片復合而成。這種MXene/肽復合水凝膠不僅成本低、制備簡單、穩(wěn)定可靠且適合大規(guī)模生產，同時能保持高靈敏度、寬檢測范圍、耐久性、氧化穩(wěn)定性和生物相容性。

圖1 MXene/肽復合水凝膠的制造示意圖

圖2 MXene/肽復合水凝膠的形態(tài)特征

圖3 MXene/肽復合水凝膠中MXene的電性能和氧化保護作用

研究人員通過將Fmoc-FF肽與二維Ti?C?Tz MXene納米片相結合，開發(fā)出仿生、靈敏且穩(wěn)定的MXene/肽復合水凝膠壓阻式壓力傳感器。得益于芳香族二肽的簡單制備和功能性，該傳感器展現(xiàn)出良好的機械性能、壓力傳感性能、抗氧化損傷的穩(wěn)定性、自修復能力、寬檢測范圍（0 ~ 400 kPa）、高靈敏度（38.5 kPa?1）、極快的響應/恢復時間（0.641/0.614 ms）以及優(yōu)異的循環(huán)耐用性（超過20000次）。

圖4 MXene/肽復合水凝膠的機械特性

圖5 作為壓阻式壓力傳感器的MXene/肽復合水凝膠的傳感性能

該壓阻式壓力傳感器可直接貼附在人體皮膚上，用以捕捉包括微小形變在內的各種人體生理信號，例如手腕的脈搏和聲音，同時還能實現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍、快速響應/恢復時間和適用于長期生物監(jiān)測的可靠性。此外，該傳感器還可以作為自供電麥克風用于聲音監(jiān)測。這些研究成果展現(xiàn)了MXene/肽復合水凝膠在下一代人工皮膚和個人醫(yī)療健康可穿戴設備領域的巨大應用潛力。

圖6 基于MXene/肽復合水凝膠的壓阻式壓力傳感器的性能和應用

綜上所述，這項研究從材料層面探索創(chuàng)新，成功開發(fā)了一種基于MXene/肽復合水凝膠的仿生壓阻式壓力傳感器。該傳感器具備高靈敏度、寬檢測范圍、耐久性、氧化穩(wěn)定性和生物相容性等性能，有望在下一代人工皮膚和個人健康監(jiān)測可穿戴設備領域發(fā)揮重要應用價值。

論文信息：
https://doi.org/10.1002/adhm.202303632

審核編輯：劉清