Small Structures:用于眼电信号探测及人机交互界面的高可拉伸淀粉凝胶基可穿戴贴片

1、研究背景:

多糖(如纤维素、褐藻酸盐、壳聚糖和淀粉等)基水凝胶材料是一种潜在的可再生材料,被认为能够有效缓解日益增长的全球能源问题。多糖基水凝胶具有许多引人注目的优势,例如来源丰富、低成本、可再生、具有良好的生物相容性和生物可降解性。然而,其较差的机械性能,特别是较差的拉伸性能严重的阻碍了它的进一步应用。通常的方法集中在材料复合、制备工艺的改进等方面,但是性能提升有限。因此,探索新的凝胶拉伸性能增强的机制与方法具有重要的科学研究意义和应用价值。

2、文章概述:

近日,东南大学电子科学与工程学院孙立涛教授与重庆大学光电工程学院万树博士以多糖(淀粉,来源于莲藕)基水凝胶为研究对象,根据凝胶盐效应,系统性调节掺入凝胶中盐的含量,有效调控了凝胶的拉伸性能,最终使淀粉基凝胶获得了最大790%的拉伸能力,同时该凝胶还具备低模量(~4.4 kPa)、高离子电导率(10 S m-1)、良好的拉伸重复性(>1000次循环)、良好的粘附性、生物可降解性以及生物相容性。其中,粘附性、低模量和拉伸性能使得该凝胶能对包括皮肤在内的多种不平整物体的表面实现共形贴附。基于这些特点,研究人员将其作为可穿戴贴片用于眼电信号(EOG)的探测,并通过后继信号处理系统,把采集到的眼电信号应用于人机交互界面。研究人员相信本文提出的方法将有利于调控凝胶机械性能的未来研究工作。

3、图文导读:

图 1. 淀粉基凝胶的合成。a. 莲藕淀粉的示意图。b. 分散液-凝胶的转变。c. 凝胶形成机制和凝胶盐效应示意图。d-f. 分别含有 0M、3M和饱和NaCl的淀粉基凝胶的SEM图像。

图 2. 淀粉基凝胶的机械性能。a. 790%的应变拉伸。b. 不同NaCl含量凝胶的应力与应变曲线。c-e. 具有不同NaCl含量的凝胶的韧性、强度和模量。f. 凝胶(饱和)10次拉伸回滞周期。g. 不同大小应变下凝胶(饱和)的拉伸回滞曲线。

图 3. 淀粉基凝胶的的粘附特性、生物相容性和生物降解性。a. 凝胶对不同物体(塑料、陶瓷、玻璃和树叶)的附着力。b. 不同NaCl含量的凝胶对玻璃的剥离强度。c和d. 分别为凝胶(饱和)对不同表面(玻璃、陶瓷和猪皮)的剥离强度曲线和剥离能。e. 肝癌细胞-MHCC97H分别和12孔板(上)和凝胶(下)共培养时的显微镜照片。f. 肝癌细胞-MHCC97H与12孔板和LRSH共培养时的细胞活力。g. 淀粉基凝胶的生物降解实验。

图 4. 人机交互应用示例-通过EOG信号处理系统控制视频游戏。a. 算法示意图。b-e. 通过实际的向上、向右、向下以及向左看来控制虚拟对象的向上、向右、向下以及向左运动。

致谢

该项目研究获得国家自然科学基金(62001066, 51420105003, 11525415, 11327901, 61274114, 61601116, 11674052, 11204034, 61971074)等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Highly Stretchable Starch Hydrogel Wearable Patch for Electrooculographic Signal Detection and Human-machine Interaction

Shu Wan*, Nan Wu, Yizhou Ye, Shunbo Li, Haizhou Huang, Li Chen, Hengchang Bi, Litao Sun*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100105

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100105