通過皮膚獲取人體的電生理信號已經(jīng)在醫(yī)學(xué)和人機交互領(lǐng)域展示了其廣泛的應(yīng)用價值。然而傳統(tǒng)的電生理信號的獲取嚴重依賴離子凝膠作為皮膚和采集電路之間的穩(wěn)定橋梁，離子凝膠的易失水性和皮膚毒性嚴重影響了其實際應(yīng)用。因此，開發(fā)新的無溶劑離子導(dǎo)電材料將極大地促進皮膚電生理學(xué)的發(fā)展。本文的研究者就提出了一種新型的超分子離子導(dǎo)電材料，它具有高電導(dǎo)（> 3.3×10-2 S m-1）、無溶劑以及良好的生物相容性等優(yōu)勢。
電子紋身由于能夠與人體皮膚保型的接觸成為很多電子皮膚研究的主要應(yīng)用形式，然而電子紋身的制造通常依賴于電子導(dǎo)體（如金屬、碳納米材料、導(dǎo)電聚合物、液態(tài)金屬）來賦予它們拉伸性、圖案結(jié)構(gòu)和超薄性質(zhì)。因此，復(fù)雜的制造工藝或高成本的導(dǎo)電材料限制了電子紋身的可擴展生產(chǎn)和廣泛使用。然而，人體并非是由這些電子導(dǎo)電的材料構(gòu)成，而是通過離子體液實現(xiàn)電信號的傳遞，因此離子皮膚（I-skin）是一種更為接近和適應(yīng)人體的選擇。
吉林大學(xué)劉小孔和中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院劉志遠課題組報道了一種通過高密度氫鍵將天然存在的可電離化合物（肌醇六磷酸，IP6）通過生物相容性聚合物（聚乙二醇，PVA）封裝，從而產(chǎn)生無溶劑的超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE），消除了水凝膠的脫水問題。具有高離子電導(dǎo)率（>0.3 mS/m）的導(dǎo)電彈性體表現(xiàn)出皮膚般的柔軟性，優(yōu)異的彈性，透氣性和自粘性。奇妙的是，SF-supra-ICE可以通過簡單的水蒸發(fā)步驟獲得，以將水性前驅(qū)體通過蒸發(fā)過程固化為無溶劑狀態(tài)。因此，水性前驅(qū)體在未蒸發(fā)前可以當做油墨進行涂漆和印刷以形成定制的離子紋身，用于構(gòu)建多功能的皮膚生物電子學(xué)應(yīng)用場景。利用這種方式形成的離子紋身表現(xiàn)出與人體皮膚的超保形粘附能力，能夠長期和高保真地記錄各種電生理信號，具有卓越的抗運動偽影特性。
圖1展示了該材料的制備工藝以及材料的結(jié)構(gòu)示意圖，可以看到所形成的無溶劑離子導(dǎo)電彈性體中因為蒸發(fā)處理而不存在溶劑，因此避免了脫水問題。此外，在未蒸發(fā)前，水性前驅(qū)體可以通過繪制或打印的方式進行圖案化。
圖1.（a）超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE）的制作過程；（b）材料結(jié)構(gòu)示意圖；（c）圖案化制備過程。
超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE）在機械特性上具有更好的皮膚相似性，同時在離子電導(dǎo)率上取得了優(yōu)異的性能表現(xiàn)。同時，SF-supra-ICE在長時間存放（150天）的情況下依然能夠保持良好的粘性，這與其他凝膠材料相比具有巨大優(yōu)勢。此外，研究者還對SF-supra-ICE的生物相容性進行了相關(guān)測試。該離子彈性體與人體的貼附性能優(yōu)異，有利于長時間的生理電信號的檢測。
圖2.（a）機械特性與成分組成比例的關(guān)系；（b）楊氏模量的對比；（c）離子電導(dǎo)率的對比。
圖3.超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE）在長時間存放和惡劣環(huán)境下的性能表現(xiàn)
圖4.超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE）的圖案化和生物相容性測試結(jié)果。
圖5.超分子離子導(dǎo)電彈性體（SF-supra-ICE）電極對心電和肌電型號的長期測量結(jié)果與性能表現(xiàn)。
通過無溶劑離子導(dǎo)電彈性體的設(shè)計，研究人員實現(xiàn)了可以保持更長時間性能穩(wěn)定的新型生理電信號采集方式。所得到的SF-supra-ICE不僅在傳統(tǒng)的導(dǎo)電性和粘附性上保持了良好性能，而且在圖案化以及長期使用上取得了突破。與利用電子導(dǎo)電材料的其他電子紋身相比，其在成本和制備工藝上的優(yōu)勢更為明顯。編者認為這種無溶劑離子導(dǎo)電體的系統(tǒng)集成方法的研究將進一步推動其對可穿戴生理電信號采集領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
相關(guān)論文以題為“Solvent-Free And Skin-Like Supramolecular Ion-Conductive Elastomers with Versatile Processability for Multifunctional Ionic Tattoos And On-Skin Bioelectronics”發(fā)表在Advanced Materials上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202304157
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