航空航天学院在离子皮肤领域取得研究进展

近日，航空航天学院胡宁教授团队，在前期超长羟基磷灰石纳米线的研究基础之上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 49, 54637–54643），结合原位氧化沉积单宁酸的方法，报道了一种透明且高离子导电的离子皮肤，该离子皮肤集成了紫外线过滤功能，保水性，防冻性，多用途传感性能和生物相容性。相关工作以“Multifunctional Ionic Skin with Sensing, UV-filtering, Water-retaining, and Anti-freezing Capabilities”为题发表在国际Top期刊Advanced Functional Materials（AFM, IF=16.8, DOI:10.1002/adfm.202011176）上。本文第一作者为航空航天学院博士研究生文杰，胡宁教授和宁慧铭副教授为论文的通讯作者。

“电子皮肤”通常被认为是一种可拉伸的人造薄片，其面积超过10 cm2，可对多种物理量（包括应变、压力、光源和温度等）产生电响应。基于导电子类传感器是通过导电子体（例如微裂纹金属膜，蛇形金属线，石墨烯片，碳纳米管，银纳米线，金纳米网，和液态金属等）来传递电信号。但它们通常只能满足导电性和可拉伸性的基本要求，难以满足在特定应用中的附加需求，如生物识别传感器的生物相容性和光学器件的透明性。相比之下，人体皮肤对外界的感知来源于体内的离子传输。因此新型的“离子皮肤”旨在智能地模仿人体皮肤的传感特征，许多离子导体（如离子液体，离子凝胶和离子水凝胶）已被用于实现具有人类皮肤感知特征的仿生皮肤。鉴于此，近日重庆大学胡宁教授团队利用分子级离子水通道和单宁酸包覆的羟基磷灰石纳米线制备了集成紫外线过滤功能，保水性，防冻性，多用途传感性能和生物相容性于一体的透明且高离子导电的离子皮肤。其用作应变传感器时，综合传感性能在同一个研究领域中处于领先水平。

通过对应变传感性能的测试发现，TA@HAP NWs-PVA（W/EG）离子水凝胶应变传感器具有宽的应变传感范围（350％），高线性度（R2=0.99003），高灵敏度（GF=2.84），低传感迟滞性（2.4%），快速响应（~50 ms）和耐用性。其大部分指标均处于本研究领域的先进水平。此外，还可以对于压力传感器和温度传感器，均表现出良好的线性度。利用温度和应变的灵敏度的巨大差异，实现了温度和应变之间的解耦目的。因此，该离子皮肤具有多用途传感的功能。

同时，TA@HAP NWs-PVA（W/EG）离子水凝胶还在紫外线过滤，防冻和保水方面表现出良好的实用性，可用作在高原，高海拔或高空区域的抗紫外线敷料，以及严寒地区的皮肤敷料。其原理是利用尺寸效应的反射和儿茶酚基团的吸收紫外光的作用，实现了紫外线过滤功能。利用乙二醇和水分子之间的强氢键作用，实现防冻性和保水性。

综上，该团队开发了一种集成紫外线过滤功能，保水性，防冻性，多用途传感性能和生物相容性于一体的透明且高离子导电的离子皮肤。这种具有生物相容性和多功能的导电水凝胶为新型离子皮肤器件的设计提供了新思路。