柔性可穿戴電子器件能直接貼在皮膚表面，實現(xiàn)人體生理信息的原位、實時及連續(xù)監(jiān)測，在個性化醫(yī)療領域具有極其可觀的應用前景。然而，現(xiàn)有的柔性可穿戴傳感器多基于石墨烯、Ecoflex、織物等材料，因存在器件-皮膚界面機械強度失配、穿戴不適、生物相容性不足等問題，難以實現(xiàn)廣泛應用。水凝膠是一種高含水量的三維網(wǎng)狀聚合物，具有優(yōu)異的生物相容性和接近人體皮膚的彈性模量，成為發(fā)展下一代柔性可穿戴傳感器的理想選擇。然而，發(fā)展水凝膠柔性傳感器仍面臨以下挑戰(zhàn)：1、水凝膠容易失水，進而引起機械、電學等性能發(fā)生改變，導致器件性能不穩(wěn)定；2、高含水量增加水凝膠與其它基底或電極材料之間的鍵合難度。解決水凝膠的水分蒸發(fā)和弱界面粘接問題，提升耐用性和長期穩(wěn)定性，以及開發(fā)低成本、大面積水凝膠柔性器件制備技術是實現(xiàn)其工程化應用的關鍵。

為此，西安交通大學蔣莊德院士、趙立波教授團隊和加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授課題組首次探索了明膠-甲基丙烯酸酯水凝膠（Gelatin methacryloyl，GelMA）用于發(fā)展柔性觸覺器件的可行性，研發(fā)了一種基于GelMA的高靈敏度、透明、皮膚適形、可完全溶液加工的柔性可穿戴觸覺傳感器，有效克服上述難題，并實現(xiàn)了在人身體上的可穿戴醫(yī)療應用。該GelMA柔性傳感器可經(jīng)受住3500多次循環(huán)壓力作用，在72小時內能保持測量性能穩(wěn)定，并可實現(xiàn)低成本、大面積制備，為實現(xiàn)水凝膠柔性傳感器的工程化應用帶來了新希望。

（a）GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器的結構設計示意圖；（b）完全基于溶液加工的制備技術；（c）GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器照片；（d）GelMA水凝膠觸覺傳感器的循環(huán)試驗結果。

該水凝膠柔性觸覺傳感器采用電容檢測原理，利用GelMA為介電彈性體，通過壓力感知來實現(xiàn)人體生理信號檢測。研究人員提出了一種可完全溶液加工的電容壓力傳感結構，將GelMA作為核心介電彈性體，通過在其兩側設置一層輔助鍵合層（如PDMS層）來控制水分蒸發(fā)。通過將輔助鍵合層表面化學處理，并采用紫外光照射的方法來實現(xiàn)其與GelMA之間的化學鍵合，以增強器件結構堅固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化學處理等工藝，開發(fā)了一種完全溶液加工的低成本、大面積制備技術。該結構設計策略及制備技術具有普適性，可用于發(fā)展其它水凝膠柔性觸覺傳感器。此外，由于GelMA介電彈性體、PEDOT:PSS電極、輔助鍵合和基底層均為透明材料，整個器件具有很好的透光性，對發(fā)展隱形可穿戴電子有重要意義。

該研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”為題近日在國際知名期刊 Advanced Functional Materials （IF=16.836）上在線發(fā)表，并被選為封面文章。西安交通大學機械學院李支康副教授為論文第一作者，西安交通大學機械學院趙立波教授、香港大學張世明助理教授以及加州大學洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者。此外，西安交通大學機械學院副教授羅國希、生命學院助理教授劉灝、前沿院博士生薛語萌共同參與了此項工作。

該研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后國際交流計劃派出項目等項目的資助。

原文標題：西交大在工程化水凝膠可穿戴醫(yī)療傳感領域取得重要進展

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責任編輯：haq