高生物兼容性、可降解、非接触控制的柔性湿度传感器|吉林大学王丽丽副教授课题组与中国科学院半导体研究所沈国震研究员课题组新突破
2020年4月9日，吉林大学王丽丽副教授课题组与中国科学院半导体研究所沈国震研究员课题组报道了一种基于生物材料的可降解柔性湿度传感器，该智能传感器具有超高的灵敏度、快速的响应时间和良好的循环稳定性，能够满足监测人体呼吸状态的所有要求，同时还具有非接触特性和辨别湿度刺激等能力，以题为 “Biocompatible and Biodegradable Functional Polysaccharides for Flexible Humidity Sensors”发表在Research上 (Research, 2020, 8716847, DOI: 10.34133/2020/8716847)。 研究背景 柔性可穿戴传感器，可以用来表征反映人类健康活动、生命状态信号的一些特征，如呼吸频率、关节运动、血压、血糖、脉搏等，已广泛应用于生物医学领域。 作为最重要生命体征之一，人体呼吸活动的监测是现代医学对于心肺和呼吸系统功能判断的重要依据，其在疾病诊断、健康状况监测及个人医疗保健方面都具有广泛的应用。较于传统的多导式呼吸监测系统，具有快速响应柔性湿度传感器在呼吸监测中由于其易用性受到了广泛关注。然而，在呼吸监测应用中，可穿戴湿度传感器需要与人类皮肤保持安全接触，使长期接触造成的伤害最小化，并为佩戴者提供最大的舒适感。 因此，设计一种具有高灵敏度、超快响应速度且具有良好生物兼容及生物可降解性，同时具有优异稳定性的湿度传感器非常重要。天然生物材料具有内在的生物相容性和生物降解性，已被用于各种应用领域，如神经植入物、锂电池、印刷电子产品和药物递送。这一柔性医学器件不仅可以穿戴在人体复杂的皮肤表面，而且在完成功能后完全溶解在人体内，是湿度传感器的潜在理想材料。 研究内容 吉林大学王丽丽副教授课题组与中国科学院半导体研究所沈国震研究员课题组联合报道了一种基于天然壳聚糖/木质素复合生物材料的可降解柔性湿度传感器。通过细胞毒性实验进一步证实了天然可降解生物复合膜直接与人皮肤或活组织界面的生物相容性（图1）。 图 1 基于质子导电的壳聚糖基柔性湿度传感器 与对照组相比，可降解的生物复合膜对人皮肤成纤维细胞HSAS1和HUVECs的细胞活力没有明显影响。这些结果表明，天然可降解生物复合膜具有生物相容性，在皮肤上使用是安全的。 在潮湿条件下生物复合膜电流的增加是由于多糖类膜中水和多糖之间形成了氢键网络。较高的吸水性会形成更具有质子导电性的氢键，形成一个三维网络，质子可以通过Grotthas型机制沿着这些链移动。我们还采用有限元分析模拟了可降解生物复合膜中质子电荷密度的变化。模拟结果表明，由于可降解生物复合膜的均匀性，在相同湿度下，电位分布没有明显变化；也就是说，电场分布不受湿度的影响（图2），同时随着湿度的增加，敏感膜中的质子数量逐渐增加，增强了质子导电性能。 图2? 生物兼容复合薄膜基柔性器件中的质子密度模拟 根据上述计算结果，图3所示为柔性器件的湿度感知性能，器件敏感性的增加是由于在相同的相对湿度下，生物材料吸附在通道中的水分子数量增加，导致输送的质子密度增加，实质上影响了通道的导电性。为了评估这些传感器检测人体湿度相关生理行为的能力，我们测量了人体运动前后的呼吸速率变化。柔性传感器的超快性能允许在人体运动过程中捕捉到与呼吸速率中的水分调节相关的细微特征。人们可以使用这个湿度传感器来监测日常环境中相对湿度以及人体表层相对湿度的变化和人体的呼吸状态，来跟踪和记录人体的健康状态的变化。 图3? 生物兼容的湿度传感器对人体健康的监测 通过模拟计算得出在手指周围具有梯度式相对湿度值，这启发我们可以通过手指控制器件的启动，我们通过传感器对不同距离指尖的湿度的灵敏度的控制，来探测环境湿度。因此除了在医学上的应用还可以将该柔性湿度传感器作为非接触式控制器的开关（图4）。有意思的是，我们组装了一个智能非接触控制开关系统，利用传感器对不同距离的指尖湿度的敏感响应。当指尖接近并离开设备时，LED灯的亮度将会发生变化。通过距离的不同，来控制LED亮度的变化。 图4? 柔性器件应用于非接触控制 功能化壳聚糖是一种由酯类组成的生物可降解多糖，可通过酸水解分解为低聚物。将独立的生物质子柔性器件置于pH为5.5的透明玻璃培养皿中，在室温条件下，通过在不同时间点拍摄的一系列光学图像，研究了该器件的降解特性。如图5所示，柔性器件在35分钟内完全降解。 图5? 柔性器件的生物降解性研究 未来展望 生物材料经过数百万年的自然演变及优化，具有独特、天然、复杂的结构特性及化学组成，还具有优良的机械性能，除此之外，生物材料还具有含量丰富、可再生、可降解的特点。这些天然材料的特殊结构和性能促使研究者们去探究某些材料的结构或表面为何会显示出优异的性能，并从大自然中寻找新材料的设计灵感，用来制作可以穿在身上的柔性电子设备。 作者简介 王丽丽，现任吉林大学电子科学与工程学院副教授。2017年和2018年分别入选中国科协“青年人才托举工程”和“未来女科学家”计划，目前研究方向主要围绕新型生物及仿生材料开展系统的柔性传感器件在医学、环境和能源领域的研究，以第一、通讯作者在Chem. Soc. Rev, Adv. Mater. ACS Nano等期刊发表SCI论文60篇，其中入选ESI热点及高被引论文7篇，全部论文总他引3000余次，H-index 35。 沈国震，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。以第一完成人获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖、茅以升北京青年科技奖等奖励和荣誉。现任中国材料研究学会理事，英国皇家化学会会士；以及学术期刊 Nanoscale Research Letters、《半导体学报》等十余种国际期刊编委、编辑等职。长期从事低维半导体材料与相关柔性器件的研究工作，迄今发表SCI论文200余篇，被引用近20000次，主编《柔性电子学》、《纳米线电子学》英文专著两部。 往期回顾 可穿戴和植入式电子器件中自驱动传感器面临的问题和潜在解决方案|中科院纳米所李舟研究员综述 12 02-2020 从纳米尺寸效应到微米尺寸效应：中山大学张杰鹏团队提出控制框架柔性和吸附分离新策略 30 07-2019 东南大学赵远锦教授课题组：可应用于柔性电子领域的仿生螺旋藤蔓微导线 《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料研、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CSCD、DOAJ、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。 欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。 网址：https://spj.sciencemag.org/research/ Research科学研究 关注交叉学科热点领域 Research编辑 识别二维码 与Research编辑面对面 点击在看，分享给科学界
