离子皮肤具有与天然皮肤相似的感知能力, 能够监测人体的生理信号。皮革拥有致密的胶原纤维和丰富的间隙，可以负载离子凝胶以构建离子皮肤。但是，凝胶的高分子网络与皮革胶原纤维之间的内部结合力弱和导电率不均匀限制了这类离子皮肤的发展。因此，开发皮革离子皮肤的关键在于将柔软的离子凝胶与坚硬的皮革骨架有效结合，并将离子凝胶均匀稳定分散在皮革的内部间隙中，同时赋予离子皮肤优异的机械性能和传感性能。
近期，陕西科技大学陈咏梅教授团队在皮革胶原纤维间的丰富间隙中原位聚合形成聚乙烯醇（PVA）-聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，然后在离子液体（[BMIM][BF4]）中进行浸泡处理，通过多尺度界面设计，即宏观上，离子凝胶与皮革骨架形成稳定的物理互锁结构；介观上，离子凝胶完全填充胶原纤维间隙并产生体积收缩和相分离；微观上，在胶原纤维和高分子链之间形成大量氢键，实现了离子液体凝胶与皮革的紧密界面结合，设计制备了一种离子凝胶/皮革（VMIL）离子皮肤。此外，离子液体中的阳离子和阴离子可以均匀地分散在 PVA-PAM/IL离子凝胶和皮革骨架的网络中，在其内部构建连续导电通路。该离子皮肤在可穿戴应变、温度和呼吸传感方面具有应用前景。
相关研究成果以“Multiscale Interfacial Designed Ionogel/Leather Ionic Skin for Multimodal Sensing Capability”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，陕西科技大学陈咏梅教授和西安交通大学吕建教授为论文的共同通讯作者。
宏观尺度上，以皮革骨架作为基底负载PVA-PAM/IL离子凝胶，形成物理互锁结构。介观尺度上，PVA-PAM/IL离子凝胶填充在胶原纤维间的大量间隙。其中，离子液体渗透于水凝胶中，替换一部分水分子，缩短了PVA-PAM高分子链和胶原纤维之间的距离，从而引起高分子网络的收缩及其与皮革胶原纤维之间更紧密的缠结；此外，利用PAM高分子链与咪唑基离子液体较差的相容性，诱导PAM高分子链之间产生聚集，形成PAM富集相，有助于PVA-PAM聚合物链与胶原纤维的紧密结合。微观尺度上，在PVA、PAM高分子链和胶原纤维上存在的大量-NH2、-COOH和-OH极性官能团之间形成大量氢键。通过以上多尺度界面设计，利用高分子链与胶原纤维之间丰富的氢键和相互缠绕等作用，实现了离子液体凝胶与皮革的紧密界面结合。这种多尺度设计赋予VMIL离子皮肤良好的力学性能，可承受5000倍自重负载及扭曲形变和穿刺而不会损坏，显示出良好的柔韧性、高韧性和形状可恢复性，拉拔试验证实其界面结合力是未浸泡离子液体的PVA-PAM/皮革复合材料的2.5倍，能够满足离子皮肤作为可穿戴传感器的要求。
这种多尺度界面设计能够实现柔软PVA-PAM/IL离子凝胶和高强度皮革骨架的协同变形，赋予VMIL离子皮肤良好的力学性能。此外，紧凑且互通的网络可确保离子传输的稳定导电路径。由此制成的VMIL离子皮肤具有高韧性、可拉伸性和均匀的导电性，可对应变、温度和呼吸进行出色的多模态传感。鉴于这些优点，这种VMIL离子皮肤在获取可靠生理信号并进行连续监测方面显示出巨大的潜力。
原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202500640
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