Opfindelsen angår en åndbar, biologisk nedbrydelig, antibakteriel og selvdrevet hel nanofiber elektronisk hud baseret på en friktions nanogenerator

Som det største organ i menneskekroppen har den menneskelige hud ikke kun de grundlæggende funktioner beskyttelse, sekretion og respiration, men er også et vigtigt somatosensorisk system for interaktionen og kommunikationen mellem mennesket og den materielle verden. I de senere år har udviklingen af ​​bionisk elektronisk hud vakt stor interesse hos forskere, og den har en bred vifte af anvendelser inden for bærbar personlig sundhedsovervågning, intelligente proteser og robotteknologi, menneske-computer-interaktion og kunstig intelligens.

Baseret på forskellige fysiske registreringsmekanismer kan elektronisk hud klassificeres i piezoresistiv, kapacitiv, piezoelektrisk og triboelektrisk type. Elektronisk hud registrerer og kvantificerer en række miljømæssige stimuli, herunder temperatur, fugtighed, tryk, vibrationer og berøring, og konverterer dem til elektroniske impulser i realtid og visuelle. Friktionskraft er en form for elektrisk kontakt med koblingseffekten af ​​elektrostatisk induktion, hvor værdifuld almindelig mekanisk energi kan konverteres til elektrisk energi. Der er adgang til ny energiteknologi, lave omkostninger, enkel struktur, bekvem brug, materialevalg, høj konverteringseffektivitet osv. Inden for bærbare strømkilder og strømforsyninger har sensorer et bredt anvendelsesperspektiv og er det ideelle valg til energiuafhængig elektronisk hud.

Fleksibilitet, strækbarhed, følsomhed, tilpasningsevne og mekanisk holdbarhed er de mest almindelige forskningsretninger inden for elektronisk hud i øjeblikket, og de er også relativt lette at realisere. I de senere år er de særlige funktioner ved elektronisk hud, såsom genanvendelighed, selvhelbredelse, formhukommelse, elektroluminescens og mekanisk luminescens, gradvist blevet undersøgt for at forbedre den omfattende ydeevne af elektronisk hud. Trods den løbende optimering og forbedring af ovenstående aspekter er komfort, sikkerhed og miljøbeskyttelse ved elektronisk hud blevet forsømt, hvilket i høj grad hindrer den praktiske anvendelse af elektronisk hud. Derfor skal den elektroniske hud med ideel komfort og funktionalitet være åndbar, bionedbrydelig og antibakteriel. Luftgennemtrængelighed er en vigtig ydeevne for at justere varme- og fugtighedsbalancen og realisere gasudvekslingen mellem menneskekroppen og det ydre miljø. Imidlertid BRUGER de fleste højtydende elektroniske hudtyper membraner som elektroder eller substrater, hvilket kan forårsage hudirritation og endda betændelse og kløe. Derudover er langvarig kontakt mellem e-hud og menneskehud et godt medium for mikrobiel vækst, så antibakterielle egenskaber er vigtige for e-hud for at hæmme bakterievækst og forhindre bakterieinfektion. Derudover er de fleste materialer ikke engangsbrugbare, da de ved slutningen af ​​deres levetid kan blive til e-affald eller endda skade menneskekroppen eller forurene miljøet.

For nylig har forskerholdet fra Beijing Institute of Nanometer Energy and Systems, Chinese Academy of Sciences, designet en åndbar, bionedbrydelig, antibakteriel og selvdrevet elektronisk hud af alle nanofibre baseret på en friktionsnanogenerator, der realiserede mekanisk energiopsamling og selvdrevet registrering af menneskekroppens fysiologi og ledbevægelsessignaler. Ved at bruge polymælkesyre/glykolsyre-copolymer (PLGA) og polyvinylalkohol (PVA) nanofibermembran som henholdsvis elektrificeringslag og substrat og sølvnanotråde (AgNW) som mellemled, dannet med et flerlags forskudt nanofibernetværk og et stort antal tredimensionelle mikro-nanohuller baseret på den elektroniske huds friktionskraft, er det gavnligt for menneskekroppens hud og det ydre miljø for varmeoverførsel. Samtidig har den elektroniske hud meget gode antibakterielle egenskaber, kan effektivt hæmme væksten af ​​Escherichia coli og Staphylococcus aureus og forhindre bakterieinfektion. Ved at ændre størrelsen og matchningen af ​​bionedbrydelig PLGA og PVA kan nedbrydningscyklussen for den elektroniske hud justeres til flere dage til flere uger. Derudover kan den elektroniske hud med en maksimal outputfunktion på 130 mW/m2 og en spændingsresponsfølsomhed på 0.011 kPA-1 udføre ikke-invasiv, selvdrevet overvågning i realtid af fysiologiske signaler (såsom mikroekspressioner, puls, respiration og aktivitet) og ledbevægelser (såsom knoer, albuer, knæ og ankler) i menneskekroppen. Dette arbejde giver en hidtil uset forskningsstrategi til udvikling af praktisk multifunktionel elektronisk hud. Resultaterne for titlen "En åndbar, bionedbrydelig, antibakteriel og selvdrevet elektronisk hud - baseret på triboelektriske nanogeneratorer udelukkende af nanofibre", offentliggjort i Science Advances.

Strukturdesign og sammensætningskarakteristika for hel nanofiber elektronisk hud baseret på friktionsnanogenerator

Karakterisering af trækstyrke, luftgennemtrængelighed og elektriske outputegenskaber

Karakterisering af antimikrobielle og bionedbrydelige egenskaber

Systemiske fysiologiske signaler og overvågning af ledbevægelser

Videnskabelige fremskridt (IF:12.804) Udgivelsesdato: 2020-06-26

DOI: 10.1126 / sciadv aba9624