人體皮膚除了具有保護、分泌和呼吸的基本功能，還是人體感知、交互和與物質(zhì)世界相互作用的重要體感系統(tǒng)。通過模仿天然皮膚的特征和功能，仿生電子皮膚的研發(fā)對于人機交互和人工智能的發(fā)展具有重要意義。近年來，一些具有高靈敏度、多功能的電子皮膚已有了不少研究，但電子皮膚的舒適性、環(huán)保性和抗菌性卻鮮有關注，這在很大程度上阻礙了電子皮膚的實際應用。
當前多數(shù)高性能的電子皮膚都是以膜作為電極或基質(zhì)，透氣性差，這可能會引起皮膚不適，甚至引發(fā)炎癥和瘙癢。其長期與人體皮膚接觸，還是微生物生長的良好媒介，從而易引起細菌感染。此外，大部分電子皮膚材料不是一次性的，在使用壽命結束時可能會成為電子垃圾，甚至危害人體或污染環(huán)境。因此，理想的電子皮膚必須具有良好的透氣性、抗菌性和生物可降解性，這樣才能使電子皮膚的實際應用成為可能。
近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊開發(fā)了一種基于全納米纖維摩擦納米發(fā)電機的透氣、可生物降解和抗菌的電子皮膚，該皮膚是通過將聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和聚乙烯醇（PVA）分別作為起電層和基底，銀納米線（Ag NW）作為中間層，使其具有三維微納多孔結構，有利于與外界進行熱濕傳遞。通過調(diào)節(jié)Ag NW的濃度以及PVA和PLGA的搭配，可以分別調(diào)控電子皮膚的抗菌和生物降解能力。該電子皮膚可以實現(xiàn)對全身生理信號和關節(jié)運動的實時自動監(jiān)測。這項工作為多功能電子皮膚的研發(fā)提供了新的策略，使電子皮膚在實用性上有了巨大的飛躍。該研究以題為“A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
【電子皮膚的結構與成分】
電子皮膚由三個功能層組成，包括用于接觸帶電和防水的頂部PLGA，用于導電電極和抗菌劑的中間Ag NW，用于柔性基材和皮膚接觸的底部PVA（圖1B）。PLGA和PVA納米纖維網(wǎng)絡都是通過簡便的靜電紡絲法制備的，其微觀結構形態(tài)和直徑分布可通過調(diào)節(jié)電紡絲參數(shù)進行調(diào)控。上層疏水性PLGA可有效防止水擴散到電極上，而作為底層的親水性PVA可迅速吸收人體的熱量和汗水并及時擴散到外部。中間的Ag NW提升了電子皮膚的熱穩(wěn)定性，且在PVA納米纖維的頂部形成一個連續(xù)的滲濾網(wǎng)絡（圖1B），從而提供具有高電導率的連續(xù)電子傳輸路徑和良好的機械柔韌性。由多層堆疊的納米纖維網(wǎng)絡使電子皮膚具有適當?shù)目衫煨?，大的比表面積，出色的透氣性和較高的結構穩(wěn)定性。此外，氣體和水分子很容易穿過纖維間的毛細管通道，以調(diào)節(jié)人體皮膚與外部環(huán)境之間的熱濕平衡。
【電子皮膚的舒適性】
對于直接與皮膚接觸的電子設備，首要考慮的是它們的舒適性，主要包括柔韌性和透氣性。PLGA的拉伸強度和韌性均高于PVA，更適合作為表面材料（圖2A）。Ag NWs和PVA納米纖維之間的界面附著力有助于提高Ag NWs / PVA納米纖維薄膜的拉伸強度。
多層堆疊的納米纖維網(wǎng)絡中有許多微納孔隙，使氣體和水分子易于通過纖維間通道傳輸，結果使電子皮膚的透氣性（?120 mm/s）遠比商用牛仔褲要高（?10 mm/s）。此外，電子皮膚的透氣性隨納米纖維膜厚度的增加而降低（圖2B），但隨著壓差的增加而提高（圖2C）。該電子皮膚可以根據(jù)內(nèi)部和外部條件及時、動態(tài)和可逆地交換、平衡氣體和水分子，從而實現(xiàn)人體的熱濕舒適性（圖2C）。
【可生物降解電子皮膚的抗菌性】
抑制區(qū)和菌落計數(shù)實驗結果表明，帶有Ag NW電極的電子皮膚具有良好的抗菌性能。PLGA / Ag NWs / PVA納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制區(qū)域的直徑分別為10和12 mm（圖3A），瓊脂培養(yǎng)皿上兩種細菌的殘留菌落明顯少于原始菌落（圖3B）。該電子皮膚對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌效率分別達到54％和88％（圖3C）。
隨著Ag NW添加量的增加，抗菌性能可以逐漸提高。生物降解是另一個主要特性，可以使電子皮膚在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)揮作用，然后物理降解為無害成分。PLGA和PVA是眾所周知的合成生物可降解材料，可以在一段時間內(nèi)分解。結合PVA的快速降解和PLGA的緩慢降解，PLGA / Ag NWs / PVA表現(xiàn)出合適的生物降解性，其降解時間可根據(jù)PLGA或PVA膜的厚度進行調(diào)整。
總結：該研究開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機的集透氣性、生物降解性和抗菌性為一體的自驅(qū)動電子皮膚，不僅具有舒適、安全、環(huán)保的優(yōu)勢，還具有能量收集和高度靈敏的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人體全身生理和關節(jié)運動信號的監(jiān)測，有助于推動電子皮膚在人機界面和人工智能中更實際、更環(huán)保的應用。
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