Advanced Materials:通过分子/离子工程设计实现高灵敏度生物可相容自驱动传感器

目前,人体健康相关的个性化诊断与治疗的发展亟需先进的生物可相容的电子器件与系统。其中,通过搜集环境能量转换为电能以支持自身运行而不需要外界电源的自驱动传感器得到了广泛关注。可以将机械能转换为电能的摩擦纳米发电机(TENG)技术,在该领域具有巨大潜力。研究人员能够设计并选择生物可相容或可降解材料制备摩擦纳米发电机(TENG),从而达到安全应用于人体的目标。

在众多材料中,聚乙烯醇(PVA)由于其水溶性和生物相容性被广泛应用于生物医学领域。此外,少量分子/离子的添加,可以在降低成本的同时有效调节PVA的各方面性能,比如机械性能和生物降解性等。美国普渡大学武文倬教授课题组与阿克伦大学朱家华教授课题组选择了三种常见易获得的添加物,包括明胶,盐酸(HCl)/氢氧化钠(NaOH)和氯化钾(KCl)/氯化钠(NaCl),对PVA及其混合物进行了深入的材料表征,制备了一系列基于PVA与PVA混合物的TENG并测试比较了相关电学信号,揭示了分子/离子添加物对PVA共混物摩擦电性能的影响。添加物中丰富的官能团/离子可以与PVA分子形成氢键或络合,诱发界面极化和离子极化,影响PVA混合物中极化基团的迁移,因此与TENG输出直接相关的PVA混合物的介电常数可以通过采用不同添加物或添加物的剂量来调控。经过分子/离子工程优化的基于PVA混合物的TENG电学信号相对于纯PVA制成的TENG显示出明显提高。作者以基于PVA-明胶混合物的TENG为例,展示了在周期性接触-分离过程中稳定的信号输出,并通过精确测量人体脉搏显示出器件极高的灵敏度。该器件测量得到的实时脉搏信号可用于心率变异性分析(Heart Rate Variability, HRV),体现出安全可靠的优势。

此项研究不仅展示了基于PVA混合物的自驱动传感器用于人体健康监测领域的巨大潜力,还为未来设计针对生物医学领域的生物可相容TENG提供了新的策略。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002878)上。