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张立群院士AM:柔性MXene水凝胶用于基于机器学习的人机交互传感

2024-04-08   柔性材料器件   阅读量:127

    【研究摘要】

    可穿戴表皮电子器件,是由导电水凝胶制成的,它们能与人体紧密结合,所以特别适用于健康监测、医疗诊断和人机交互等领域。尽管有这些好处,但我们还是面临一些挑战。比如,如何让这些设备既能牢牢贴在皮肤上,又能防止紫外线伤害,同时还能准确监测生理信号呢?并且,如果它们还能在医疗治疗后提供抗菌和止血功能,那就更好了。

    为了解决这些问题,北京化工大学万鹏博教授与张立群院士团队设计了一种新型的生物胶水凝胶表皮传感器。这种传感器是用导电MXene纳米片和生物水凝胶聚合物结合制成的。它可以稳稳地贴在皮肤上,记录各种生理信号,信号质量非常高,干扰很小。这样,它就能用于智能医疗诊断和人机界面。

    更厉害的是,团队成员还基于这种传感器设计了一个智能手语手势识别平台。这个平台能利用机器学习算法,与听障人士进行无障碍交流。

    而且,这种生物胶水凝胶还具有抗菌、生物相容和止血的功能,对处理细菌感染和伤口出血也很有帮助。总的来说,这种新型表皮传感器不仅功能多样,而且实用性强,有望在未来医疗领域发挥重要作用。

    研究结果以《Flexible Conformally Bioadhesive MXene Hydrogel Electronicsfor Machine Learning-Facilitated Human-Interactive Sensing》为题,发表在世界知名期刊Advanced Matierials上。

    【研究背景】

    导电性水凝胶因其独特的柔软性、良好的生物相容性、类似生物组织的三维结构,以及可调节的导电性,在可穿戴设备、医疗监测、脑机接口和智能医疗等方面备受关注。同时,导电水凝胶制成的表皮传感器能将外界刺激转化为电信号,这在智能电子皮肤、医学诊断和人机交互等领域非常有用。然而,目前大多数的导电水凝胶表皮传感器存在一些问题,比如电阻大、导电性差,以及与皮肤接触不紧密,导致传感效果受限。这些问题大大影响了它们在心电图、肌电图和脑电图等超灵敏表皮电生理信号监测中的应用,尤其是在运动康复和疾病诊断方面。近年来,有一种叫MXene的二维导电纳米材料在很多领域都得到了广泛应用。它导电性极好,表面有很多亲水性的官能团,还有很大的表面积,所以很适合用来制作水凝胶的纳米复合材料。这样的复合材料作为表皮传感器,导电性好,电阻小,传感性能优越,可以用于个人健康管理、无创疾病诊断和智能人机交互等方面。因此,如果能开发出基于MXene水凝胶的表皮传感器,那么它不仅能灵敏地监测人体大的运动信号,还能捕捉到细微的表皮电生理信号。这将为运动康复和心脏、肌肉、大脑功能相关疾病的诊断提供新的可能性。

    目前,导电水凝胶表皮传感器普遍存在运动伪影干扰,导致信号质量较低,出现故障信号,这主要是由于表皮传感器与人体皮肤曲线表面的界面不一致,粘附性差,与人体皮肤接触不可靠所致。另外,水凝胶做的传感器还很容易受到损坏,这会让它们的使用寿命变短,功能也不能持久。同时,我们还要考虑到紫外线这个因素。太阳发出的紫外线对我们的皮肤非常有害,可能导致皮肤损伤和老化。但是,很多现在用的水凝胶表皮传感器对紫外线的防护能力并不强,这就限制了它们在需要防护紫外线的环境中的使用。因此,我们需要研发一种新型的导电水凝胶表皮传感器。这种传感器需要能够紧紧地贴在我们的皮肤上,不会受到运动的干扰;而且,它还需要有自我修复的能力,即使受到一些损伤也能自己修复,这样它的使用寿命就会更长。最重要的是,它还需要有强大的紫外线防护功能,这样它就能在多种环境下安全地使用。这样的传感器不仅可以用于医疗诊断,还可以用于下一代智能电子皮肤,帮助我们更好地监测和管理健康。

    此外,报道中提到,目前的水凝胶表皮传感器虽然能监测人体运动和智能医疗诊断,但它们往往缺少治疗功能。而光热疗法因为无创伤、易控制、副作用小等优点,受到了广大研究者的关注。这种疗法通过可穿戴表皮传感器的光热效应,能在局部产生物理热疗效果,有助于改善血液循环、减轻关节僵硬和缓解疼痛,对于关节炎的治疗有很大潜力。但如何使这种疗法更有效地治疗关节炎,仍是一个挑战。MXene材料因其高效的光热转换效率和低细胞毒性,为表皮传感器提供了出色的光热性能和方便的加热操作。因此,开发一种集超灵敏智能健康传感和后续治疗功能于一体的多功能水凝胶表皮传感器,显得尤为吸引人。同时,我们也要关注到人体皮肤的重要性。它像一道屏障,保护我们免受外界环境的伤害。但皮肤柔软,容易受伤,一旦受伤,可能导致伤口出血,甚至威胁生命。因此,开发具有特殊抗菌和止血功能的多功能水凝胶表皮传感器,对于覆盖不规则形状的伤口、防止感染和控制出血具有重要意义。这种传感器凭借其良好的生物相容性、强大的生物粘附性能和可注射性,为伤口提供了有力的保护。