Advanced Materials Technologies: 基于可注射导电水凝胶的新型生理信号传感器

人类的皮肤是一种柔软、可拉伸、高度集成的多功能传感系统,用于实现对外界环境的感知。受此启发,研究者们提出了基于柔性传感器件的“电子皮肤”的概念,旨在模仿皮肤实现对多种信号的精确检测。然而,目前柔性传感器件在经过反复的弯折或拉伸后,会不可避免地造成传感器结构的损坏和信号检测质量的下降。为了解决这一问题,亟需发展基于自愈合材料的柔性传感器,以及新型的传感器制作方法。

近日,中国科学院深圳先进技术研究院鲁艺研究院团队制备了一种新型可注射的导电自愈合(Injectable conductive self-healing,ICSH)材料碳纳米管-导电聚合物-聚乙烯醇-聚丙烯酰胺(CNT-PEDOT-PAM-PVA)水凝胶。这种材料具有超低的杨氏模量(~ 1 kPa)、超强的可拉伸形变(> 2000 %),超快的自愈合速度(< 2s),以及理想的流变学性。此外,材料的阻抗对形变的响应迅速灵敏。得益于这些性质,研究者结合材料注射技术,制备了微型柔性拉力传感器,实现了对微小肢体运动的精准定量分析。研究者还成功读取了自由活动小鼠的呼吸频率和强度等信号,研究了不同行为下呼吸行为的差异。该微型拉力传感器有望为行为和生理参数的在体检测提供了重要的研究工具。此外,研究者还借助材料打印技术,制备了微型压力传感器,实现了对人体桡动脉和颈动脉信号的检测。该微型传感器能准确分辨脉搏信号的不同精细波形,对于心血管疾病的诊断具有潜在的应用价值。

本研究中制备的微型传感器在具有对微弱生理信号的灵敏的响应,以及良好的稳定性和可重复性,在医疗电子领域具有广泛的应用前景。此外,这些微型柔性传感器还能帮助神经生理学家获取动物在面对特定刺激时的生理信号响应,解读动物行为背后的内在生理基础。相关论文于近日发表在国际材料学期刊Advanced Materials Technologies上(DOI: 10.1002/admt.201900346)。 论文的共同第一作者为硕士研究生叶丰明和李梦。