【摘 要】
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基于导电水凝胶的表皮传感器可以将生理活动信号转化为可检测的电信号,在智能电子皮肤、个人健康监测和智慧医疗方面有巨大的应用潜力,有望彻底改变人们的生活方式。然而,已报道的由导电水凝胶组装的传感器通常表现出较弱的机械强度、较低的导电性、有限的传感性能和较差的自修复性能。迄今为止,各种基于导电水凝胶的柔性表皮传感器在个人健康监测的应用已经得到很好的开发,但不能兼顾医疗诊断和创伤修复。因此,我们设计了柔性
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基于导电水凝胶的表皮传感器可以将生理活动信号转化为可检测的电信号,在智能电子皮肤、个人健康监测和智慧医疗方面有巨大的应用潜力,有望彻底改变人们的生活方式。然而,已报道的由导电水凝胶组装的传感器通常表现出较弱的机械强度、较低的导电性、有限的传感性能和较差的自修复性能。迄今为止,各种基于导电水凝胶的柔性表皮传感器在个人健康监测的应用已经得到很好的开发,但不能兼顾医疗诊断和创伤修复。因此,我们设计了柔性、可愈合的导电水凝胶表皮传感器用于高性能健康诊断和治疗。该工作的细节如下:1.我们首先利用苯硼酸接枝的海藻酸钠(Alg-PBA)和瓜尔豆胶(GG)有效构建了水凝胶高分子网络,然后将载有银纳米粒子的MXene纳米(Ag NPs/MXene)导电网络填充到水凝胶高分子网络中,从而得到了MXene纳米复合水凝胶。得益于Ag NPs/MXene纳米片、GG和Alg-PBA之间的超分子相互作用,以及Alg-PBA的苯硼酸基团与GG的羟基之间形成的动态硼酸酯键,MXene复合水凝胶表现出优异的自修复能力,能够在被破坏后通过快速自修复使断开的电路重新恢复电流导通。此外,所合成的MXene复合水凝胶具有显著改善的机械强度(断裂强度22.7 k Pa)、超灵敏的传感性能和强大的导电性,可以被组装成多功能的表皮传感器用于检测全尺度的人体活动和微小的电生理信号(心电(ECG)信号和肌电(EMG)信号)。其中,MXene复合水凝胶基表皮传感器对手腕和手指等关节部位弯曲信号的检测可以用于监测受伤关节的术后重建和康复训练。通过实时监测到的人体腕部脉搏信号,可以计算出脉搏跳动速率(80 bpm)和桡动脉径向增强指数(AIr=0.5),这在血管老化和动脉硬化诊断中起着关键作用。采集到的清晰的心电信号具有五个明显可区分的特征峰(P、Q、R、S、T),这对于诊断各种心脏相关疾病至关重要,如心律失常、冠心病或充血性心力衰竭等。同时,制备的MXene复合水凝胶基表皮传感器还可以监测由不同握力(5 kg、10 kg、20 kg)下的肌肉收缩产生的肌电信号,并且肌电信号强度随着握力的增加而增加,这在肌肉受损患者的康复训练监测中具有重要潜在应用。此外,MXene复合水凝胶基表皮传感器与无线传输设备相结合,可以用于无线感应由志愿者无线控制的机器人的重复挥拳动作,用于可穿戴的人机界面交互。2.此外,所制备的MXene复合水凝胶具有可靠的可注射性、良好的细胞相容性和优异的血液相容性,可直接注射到伤口部位。同时,具有与人体皮肤相似模量的MXene复合水凝胶可以完全覆盖不规则形状的伤口,以保护其免受进一步感染。MXene复合水凝胶表现出强大的抗菌能力,可有效杀死金黄色葡萄球菌(77.78%)和大肠杆菌(85.82%)。此外,MXene复合水凝胶可用于创伤修复,使用MXene复合水凝胶敷料在第12天可修复近98.16%的伤口面积,其伤口愈合效率远高于市售的商业敷料(≈80.50%)以及不含Ag NPs/MXene的水凝胶敷料(≈83.83%)。这些结果证明了MXene复合水凝胶在创面修复和智能医疗方面的巨大潜力。
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