Новости

Jul 03, 2023

Тройной гетерогенный гидрогель с прочными элементами для упругости и самосохранения.

npj Гибкая электроника

npj Flexible Electronics, том 6, номер статьи: 51 (2022 г.) Цитировать эту статью

1751 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Эпидермальные сенсорные устройства, имитирующие функциональные возможности и механические свойства натуральной кожи, открывают большие возможности для мониторинга здоровья в режиме реального времени посредством непрерывной проверки жизненно важных показателей. Однако в большинстве существующей электроники, монтируемой на кожу, используется гибкая пленка с высоким модулем упругости, которая препятствует физической активности и вызывает расслоение межфазных поверхностей и раздражение кожи. Податливость устройств на основе гидрогеля позволяет надежно прилегать к сложным изогнутым поверхностям, не создавая чрезмерных межфазных напряжений. Однако большинство гидрогелей по-прежнему страдают от недостатка стабильного и воспроизводимого зондирования. В этой работе мы сообщаем о безопасном для кожи эпидермальном электронном устройстве, изготовленном из эластичного, самовосстанавливающегося и пригодного для вторичной переработки гидрогеля поливинилового спирта (ПВА). Гидрогель усилен тройной гетерогенной сеткой, что обеспечивает хорошую механическую прочность, сохраняя при этом высокую растяжимость и исключительную прилегаемость. В то же время обилие динамических водородных связей придает гидрогелю способность к быстрому самовосстановлению. Собранная эпидермальная электроника из гидрогеля способна стабильно отслеживать множество физиологических сигналов, а также определять уровень напряжения при движении кожи и изгибе суставов. Уникальная, универсальная, экологически и биологически безопасная эпидермальная электроника будет иметь широкое применение в здравоохранении, человеко-машинном интерфейсе, дополненной реальности и так далее.

Эпидермальная электроника обеспечивает неинвазивные методы мониторинга широкого спектра жизненно важных показателей, от электрофизиологической активности до частоты сердечных сокращений и дыхания, а также движений тела, которые тесно связаны с нормальными функциями организма человека и клиническими сигналами для диагностики заболеваний1. Непрерывное получение параметров тела в режиме реального времени, не нарушая рутинную повседневную деятельность, также рассматривается для человеко-машинного интерфейса2. Коммерческие клейкие пластыри, используемые для крепления к коже гибкой электроники с высоким модулем упругости, обычно вызывают неприятные ощущения, раздражение кожи и их трудно отсоединить3. Несмотря на то, что стратегия устройства для разжижения4 и микроструктурный дизайн, вдохновленный природой5, были приняты для улучшения пользовательского опыта, стратегии создания удобного эпидермального устройства с хорошей адгезией и отделением, а также безопасной и циклической утилизацией электронных отходов почти не изучались6. Идеальные устройства, монтируемые на эпидермисе, должны быть мягкими и растягивающимися, чтобы обеспечить конформную интеграцию с кожей7, прочными и достаточно эластичными, чтобы выдерживать напряжение, вызванное повторяющимися движениями тела3. За последнее десятилетие эпидермальная электроника была разработана с использованием змеевидных и сетчатых форм гибких неорганических электронных материалов8, растягивающихся органических материалов9 и проводящих наноматериалов (таких как Au наносетки7, углеродные нанотрубки10 и графен11) для покрытия ультратонких полимерных подложек. Тем не менее, остается одна серьезная научная проблема, поскольку вышеупомянутые подходы сталкиваются с непримиримым противоречием между ультратонким форм-фактором и механической прочностью (обычно растяжение <50%), которые необходимы в эпидермальной электронике12. Между тем, изготовление эпидермальной электроники с использованием этих материалов обычно включает фотолитографию, осаждение тонких пленок, методы переноса и другие сложные процедуры, которые являются дорогостоящими и отнимают много времени13.

Проводящий гидрогель, благодаря своей превосходной мягкости, влажности, отзывчивости и биосовместимости, является частью продолжающихся усилий по созданию бесшовного интерфейса между биологией и электроникой14. Мягкая (эквивалентная коже) и растягивающаяся природа (растягивание >200%) гидрогелей позволяет свести к минимуму механическое несоответствие биологическим тканям по сравнению с ультратонкой эпидермальной электроникой15. Однако немногие из них одновременно прочны и эластичны, как живые ткани, такие как мышцы16. Несмотря на то, что для улучшения механических свойств гидрогеля использовались различные подходы, такие как создание двойных сеток, добавление нанонаполнителей, механическая обработка и т. д., устойчивость упрочненного гидрогеля все еще не является удовлетворительной, особенно по сравнению с безводными полимерами17. Так как один случай нагрузки с высокой степенью деформации приводит к необратимой деформации или необратимому разрушению эпидермального восприятия18. Будучи идеальной биоэлектроникой, гидрогелевые электроды должны демонстрировать более высокую механическую прочность и повторяемую способность к самовосстановлению19,20. В нашей предыдущей работе был представлен высокоэластичный, ремонтопригодный при комнатной температуре и пригодный для вторичной переработки проводящий гидрогель на основе сеток ПВС с двойной сшивкой21. Однако слабая прочность гидрогеля ПВА сузила сферу его применения. Внутренне противоречивые требования к прочности и упругости усложняют разработку геля, обладающего одновременно высокой прочностью22.