人体皮肤是一个重要的身体器官，它能够通过离子传输机制实现机械外力的感知，例如压力、应变以及扭转等。同时，它还具有自我修复能力，能够在外部损伤后恢复初始功能。受人类皮肤感知结构的启发，已经有个别研究团队报告了几种具有离子传输机制的离子皮肤。它们具有高抗干扰性、出色的空间分辨率以及对静态和动态刺激的出色响应。然而，这些离子皮肤很容易受到持续磨损引起意外机械损伤，导致功能中断或设备寿命减少。因此，与人类皮肤类似的自我修复能力是恢复受损功能以确保稳定性和增加设备使用寿命所必需的重要固有属性。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队在朱锦研究员的带领下基于多年的自愈合材料和电子皮肤的研发经验（Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2106341； Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2009869； Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127691； Chemical Engineering Journal, 2021, 410, 128363； ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 11072； Materials Today Physics, 2020, 14, 100219.），同时与韩国汉阳大学的Do Hwan Kim教授团队以及韩国忠南大学的Kyung Jin Lee教授团队共同合作，开发出一种“超灵敏且可自修复的离子皮肤”。它拥有像人体皮肤一样的弹性且具有自我修复能力，灵敏的触觉功能可以随着伤口的愈合而恢复。
离子皮肤
离子皮肤的设计概念设计：由离子动力学产生的动作电位刺激和动态二硫键的键交换效应模拟人体皮肤的外力感知和自愈合功能 首先，上述研究团队根据触觉细胞的机械刺激响应原理，模拟真实人体皮肤的自愈功能和生物离子信号传递机制，设计合成了一种含有动态二硫键功能基团和氯取代基的新型热塑性聚氨酯材料。动态二硫键一直在进行可逆的动态键合，无需额外的能量即可使伤口在室温下也能快速自主自愈。其次，他们以离子液体作为信号传输介质，填充入上述热塑性聚氨酯材料以后，开发出新型的离子导体。最后，以银纳米线为柔性电极，聚氨酯为封装材料，组装成目标离子皮肤。由于聚氨酯中引入的氯取代基电负性较大，与离子液体间具有可逆的离子偶极相互作用。通过机械刺激改变氯取代基与离子液体之间可逆的离子偶极相互作用，能够有效提高即时电容和初始电容的差值，从而提高灵敏度。不仅如此，该研究工作还系统地阐述了压电离子动力学（piezo-ionic dynamics）机制，以解释高灵敏度的引发原理。这项研究成果模拟了类似生物触觉细胞的离子信号传输系统，根据力的变化控制离子导体内部的离子分布，最大限度地提高触觉感知。非常有意义的是，它提出了一种同时恢复伤口和触觉功能的离子皮肤技术的新概念，有望应用于可穿戴医疗领域中的人机接口。
相关成果以“Ultrafast, autonomous self-healable iontronic skin exhibiting piezo-ionic dynamics”为题在Nature Communications期刊上在线发表。本工作的通讯作者为中科院宁波材料所应邬彬副研究员、韩国汉阳大学Do Hwan Kim教授以及韩国忠南大学Kyung Jin Lee教授，第一作者为韩国汉阳大学Elvis K. Boahen和韩国忠南大学潘宝海博士。
原文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35434-8
文章来源：宁波材料所
朱 锦，博士，宁波材料所研究员，博士生导师，中科院“百人计划”终期优秀者，浙江省新世纪“151”人才计划重点资助获得者，2014年获全国优秀科技工作者，2013年浙江省“十佳优秀科技工作者”， 曾获宁波市优秀回国留学人员、有突出贡献专家和优秀科技工作者。现任中国科学院宁波工业技术研究院（筹）院长助理、材料技术所所长，中国塑料加工工业协会工程塑料专业委员会理事长，中国化学会高分子学科委员会委员，中国科学院宁波材料技术与工程研究所科学技术委员会副主任。1991年曲阜师大获学士学位，1994年中科院化学研究所获硕士学位。2001年于美国Marquette 大学获得博士学位，2001-2003年在美国Cornell 大学做博士后，其后曾任职于美国多家公司。2009年8月回国后成立生物基高分子材料研究团队。回国后开发的“大豆基无醛木材胶黏剂技术”实现技术转移，转移费1088万元，产品已应用到大自然地板（Nature APG活性大豆胶地板）、德尔地板（Der无醛添加地板）等国内知名地板上，引领国内人造板行业的“无醛化”趋势。开发的“耐热聚乳酸淀粉复合材料技术”，也实现转移，转移费1500万元，其产品已获得美国、欧洲等国家进行认证。已发表研究论文80 多篇, 已被他引超过2600多次，单篇最高引用570次。已获得授权中国专利26项，美国专利6项，共申请中国和美国专利共77项。
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发表于 2022-12-27 12:12:16
