​长春工业大学|华中科技大学同济医学院附属同济医院Nano Energy:人机交互抗菌检测人畜各种生理电信号的自粘式多功能水凝胶

第一作者：Xikun Zhang,

通讯作者：吕雪 刘鹭

通讯单位：长春工业大学/华中科技大学同济医学院附属同济医院

研究速览：

MXene 在水凝胶中的分散性差削弱了柔性传感器的灵敏度和循环稳定性。在这项工作中，研究人员通过使用具有不同链长 （C=4、8、12、16、18） 的离子液体 （IL） 来调节 MXene 的层间距。研究发现，链长为 C=16 的 ILn 在插层过程中引起层间距变化最显著，有效抑制了 MXene 的自重堆叠，阻止了其聚集。基于这一发现，该团队开发了具有聚丙烯酸 （PAA） 网络和聚多巴胺涂层二氧化硅 （PS） 的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶。制造高度可拉伸的粘合剂和导电水凝胶表现出优异的机械性能，包括高达 1903% 的拉伸性、20 kPa 的弹性轴颈预验证模量和 806 kJ·m^-3 的韧性。该水凝胶表现出优异的导电性 （14.8 mS·cm^-1） 和高灵敏度 （GF=7.64），这些特性使其在监测大鼠的人体运动信号、心电图 （ECG）、肌电图 （EMG） 和电信号方面特别有效。此外，该水凝胶在 808 nm 近红外光照射下表现出巨大的人机界面 （HMI）、电容器和抗菌效果，在柔性电子学、传感器和生物医学工程中具有广泛的应用前景。    

要点分析：

要点：为了解决 MXene 分散性差以及 MXene 在水凝胶基质中大规模团聚导致水凝胶机械和电化学性能下降的问题，研究人员提出了一种新策略，将离子液体插层（I16@M）修饰的 MXene 与聚丙烯酸（PAA）网络相结合，并使用聚多巴胺包覆的二氧化硅 PDA@SiO₂ （PS）作为粘合材料，从而成功制备出一种具有高拉伸性、粘合性和导电性的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶。由于 IL 剥离后 MXene 表面暴露了更多的官能团（如羟基和氟化物），A-PS-0.06I16@M 水凝胶表现出优异的机械性能，包括高达 1903% 的 Journal Pre-proof 拉伸性、皮肤般的柔软性（弹性模量为 20 kPa）和出色的韧性 （806 kJ·m^-3）。制备的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶表现出优异的电导率 （电导率为 14.8 mS·cm^-1） 和高灵敏度 （GF=7.64），能够准确检测从小应变到大应变的相对电阻变化。这一特性使其在监测大鼠的人体运动信号、心电图 （ECG）、肌电图 （EMG） 和胃肠道电信号方面特别有效。此外，A-PS 0.06I16@M 水凝胶表现出优异的光热抗菌性能。在 808 nm 近红外光照射下，该材料对大肠杆菌 （E. coli） 和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 （MRSA） 表现出显着的抗菌作用。总体而言，A PS-0.06I16@M 水凝胶在柔性电子、传感器和生物医学工程中表现出广阔的应用前景。

图文导读    

图 1. A-PS-I@M 水凝胶及其在人体肌肉检测、心电图、胃肠道电信号、电容器、人机交互和光热抗菌中的应用示意图。

图 2. 水凝胶的合成和表征。a） PDA@SiO₂ 合成示意图;b） MXene 和 ILn@MXene 的合成示意图;c） SiO₂、PDA PDA@SiO₂的 FTIR 光谱;d） SiO₂ 的 SEM 图像;e） PDA@SiO₂的 SEM 图像;f） MXene 的 XPS 谱图;g） C 1s、Ti 2p、F 1s 和 O 1s 的 XPS 光谱;h） MXene 中 Al、O、F、C、Ti 的 EDS 元素图;i） 不同烷基链长度的离子液体插层 MXene 和 MXene 的 XRD 图谱;j） 不同烷基链长度的离子液体插层 MXene 和 MXene 的 FTIR 图谱;k） MXene、IL16 和 IL16@MXene 的 FTIR 图谱;l） MXene 的 SEM 图像;m） IL16@MXene的 SEM 图像。

图 3. 不同链长的离子液体 （IL） 在 MXene 上的吸附行为。a） 计算 MXene 与不同 IL 阳离子和 H₂O 之间的吸附能。MXene 和不同 IL 阳离子的优化模型和 b） H₂O， c） [C₄MIM]， d） [C₈MIM]， e） [C₁₂MIM]， f） [C₁₆MIM]， g） [C₁₈MIM];h-i） MXene 在溶液中含和不含 IL 的相互作用示意图。

图 4. 水凝胶的机械、粘合性能和生物相容性。a） 不同链长离子液体插层后 MXene 的力学性能 b） 不同 I16@M 含量的水凝胶;c） A-PS-0.06I16@M 水凝胶在不同应变下循环拉伸下的应力-应变曲线;d） A-PS-0.06I16@M 水凝胶在 100% 应变下循环拉伸 10 次的应力-应变曲线;e） A-PS-0.06I16@M 水凝胶在 100% 应变下循环拉伸 10 次的应力残余和滞后无线电;f） 水凝胶打结和扭曲的照片;g） A-PS-0.06I16@M 水凝胶在不同基材上的粘附曲线;h） A-PS 0.06I16@M水凝胶在不同基材上的最大附着力;i） A-PS-0.06I16@M 水凝胶对各种基材表面的粘合性能：（i）塑料，（ii）玻璃，（iii）PTFE，（iv）橡胶，（v）龙虾，（vi）皮肤，（vii）肠，（viii）肝脏;j） A-PS-0.06I16@M 水凝胶的粘附机制图。    

图 5. 水凝胶的导电性和传感性能。a） 连续拉伸应变 （0–800%） 下的相对电阻变化和 GF;b） 在 0 至 50% 应变下进行 1600 s 的循环稳定性测试;c） 水凝胶在不同速度下拉伸过程中的相对电阻变化;d） A-PS-0.06I16@M 水凝胶的响应和恢复时间;e） 通过实时电阻测量获得的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶可愈合过程的时间演变;f） 水凝胶传感器在小应变下的相对电阻变化 （2%， 4%， 6%， 8%）;g） 水凝胶传感器在中等应变下的相对电阻变化 （20%， 40%， 60%， 80%）;h） 水凝胶传感器在大应变下的相对电阻变化 （200%， 400%， 600%， 800%）;i） 响应不同状态的 LED 灯亮度变化的数字图像：（i） 原始，（ii） 完全切割，（iii） 自愈，（iv） 以 50% 应变拉伸，以及 （v-viii） 愈合过程中电路的相应示意图;j） 来自不同文献研究的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶的 GF、电导率、应变、响应时间的比较。    

图 6. 用于监测电生理信号的粘性多功能 A-PS-0.06I16@M 水凝胶传感器。a） 大鼠胃中电信号的变化;b） 大鼠肠道电信号的变化;c） 可重复使用的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶，用于不同周期计数的人体 EMG 信号监测;d） 猪心脏电信号的变化;e） 猪肠道电信号的变化;f） 使用 A-PS-0.06I16@M 水凝胶电极和商用水凝胶电极测量的心电图;g-j） 监测人体关节感应、颈部、手腕、肘部和膝关节的示意图，插图显示了连接到相应关节部位的应变传感器;k） 水凝胶应变传感器粘附在不同角度 （0、30、60、90 和 120°） 弯曲手指上的相对电阻变化;lm） 用 A-PS-0.06I16@M 水凝胶制成的电容笔书写和绘画。    

图 7. 水凝胶在电容器、人机界面和光热抗菌应用中的性能。a） MXene IL16@MXene水凝胶电解质在 100 mV s^-1 扫描速率下的 CV 曲线;b） IL16@MXene水凝胶电解质在 10、20、50、80 和 100 mV s^-1 扫描速率下的 CV 曲线;c） IL16@MXene 水凝胶电解质的倍率性能与扫描速率的函数关系;d） MXene、IL16@MXene 水凝胶电解质在电流密度为 1 A g^-1 时的 GCD 曲线;e） IL16@MXene水凝胶电解质在电流密度分别为 1、3、5、7、10 A g^-1 下的 GCD 曲线;f） NaCl 中IL16@MXene水凝胶电解质的 EIS;g^-h） 多通道手势信号识别;i） 用于机械手交互系统的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶电极;j） PBS 缓冲液和 A-PS-0.06I16@M 在 808 nm 激光下 10 分钟 （0.75 W/cm² ） 对大肠杆菌和 MRSA 的活力。比例尺：10 μm。

结论    

在本研究中，为了解决 MXene 分散不良以及水凝胶基质内大规模 MXene 团聚导致水凝胶力学和电化学性能恶化的问题，研究人员采用具有不同 链长度的 IL （C=4、8、12、16、18） 来调节 MXene 的层间距。观察到链长为 C=16 的 IL 在插层过程中诱导层间距最显着的膨胀。这种膨胀有效地抑制了 MXene 的自重堆叠，从而阻止了其在水凝胶基质内的聚集。基于这一发现，研究人员开发了一种新策略，将离子液体插层 （I16@M） 修饰的 MXene 与 PAA 网络 PDA@SiO₂ 作为粘合剂材料相结合，从而成功制造了高度可拉伸、粘合性和导电性的 A-PS-0.06I16@M 水凝胶。该水凝胶具有优异的机械性能，包括高达 1903% 的拉伸性、皮肤般的柔软性（弹性模量为 20 kPa）和出色的韧性 （806 kJ·m-3）。此外，它表现出出色的导电性 （14.8 mS·cm⁻¹） 和高灵敏度 （GF = 7.64），使其在监测心电图 （ECG） 和肌电图 （EMG） 方面特别有效。此外，该水凝胶在各种材料表面表现出优异的粘附性能，在猪皮肤上的粘附强度达到 8.3 kPa。使用 A-PS 0.06I16@M 作为电解质的电容器在电化学性能方面表现出显着改善。此外，该水凝胶在人机界面 （HMI） 应用中表现出巨大的潜力，尤其是在复杂行为的多通道和连续检测方面，并且在 808 nm 近红外光照射下对大肠杆菌和 MRSA 均表现出明显的抗菌作用。综上所述，A-PS-0.06I16@M 水凝胶在柔性电子学、传感器技术和生物医学工程方面具有广阔的应用前景。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110484

参考文献：Xikun Zhang, Yang Su, Jiahe Xu, Yexi Jin, He Zhang, Guangpeng Ma, Jinxin Xu, Meng Zhou, Xinpu Zhou, Fengliang Cao, Yu Chang, Yukai Wang, Bingqi Zhao, Shurui Yi, Junzheng Chen, Di Fang, Xue Lv and Lu Liu, Self-Adhesive ILn@MXene Multifunctional Hydrogel with Excellent Dispersibility for Human-Machine Interaction, Capacitor, Antibacterial and Detecting Various Physiological Electrical Signals in Humans and Animals, Nano Energy, (2024) doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110484

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