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北京师范大学刘楠教授团队 AFM：生物可降解离电皮肤助力瞬态电子

高分子科技

2023-08-24

导读：开发了一种高性能离电皮肤，具有高离子电导率，良好的皮肤顺应性和完全的生物降解性...

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可穿戴电子产品对人类社会的娱乐、医疗保健和人机交互等许多领域都产生了巨大的影响。然而，这些电子产品大多是由不可降解的无机或有机材料制成，不可避免地加剧了电子垃圾的产生。据报道，截止2019年电子垃圾的产量约为5360万吨，预计到2030年将达到7470万吨。为了缓解由电子垃圾引起的垃圾填埋和环境问题，瞬态电子(或可生物降解电子)，其主要特征是能够在生理和环境介质中溶解或生物降解，是减少电子垃圾产生的关键技术。

近期，北京师范大学化学学院刘楠教授团队开发了一种高性能离电皮肤，具有高离子电导率，良好的皮肤顺应性和完全的生物降解性。因此，它能够准确地检测电生理信号，并大大减少了电子垃圾的产生。此外，它可以记录和刺激牛蛙坐骨神经上的神经电信号，并在3天内完全降解，无需额外的手术去除电极。相关工作以“A fully biodegradable and biocompatible ionotronic skin for transient electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

该离电皮肤由双网络离子凝聚构成，其中一层网络由具有优异生物兼容性、生物可降解性、抗菌性等特性的羧化壳聚糖（CCS）通过氢键相互作用构成，其本身还是一种聚电解质，可以提供良好的离子导电性。另一层网络由两性离子结构的磺酸基甜菜碱（SBMA）聚合后通过静电相互吸引构成，其主链上丰富的阴阳离子可以通过离子偶极和阳离子-π等作用与不同界面形成粘附。最后，丙三醇（Gly）和水提供了丰富的氢键结合位点，进一步提高整个网络的交联，使体系中的水不易挥发和凝结，提高了整体电极材料的耐用性（图一）。

图一完全生物可降解与生物兼容的离电皮肤的构筑。

在室温下，该离电皮肤仅需3天即可在PBS溶液中完全降解，这主要归功于水溶性的CCS和盐溶液中SBMA聚合物交联片段的解离。通过理论计算和分子动力学模拟可知PBS溶液中丰富的阴阳离子破坏了SBMA聚合物原本通过静电相互吸引构成的交联体系，致使整个交联体系完全解离并最终溶于PBS溶液中（图二）。

图二离电皮肤的降解机理。

得益于良好的离子电导率、皮肤顺应性和完全的生物降解性，该离电皮肤能够准确地检测电生理信号，并且还可以控制机械手进行人机交互（图三）。此外，它还可以记录和刺激牛蛙坐骨神经上的神经电信号，并在3天内完全降解，无需额外的手术去除电极（图四）。

图三电生理测试与人机交互。

图四动作电位记录和神经刺激的可生物降解电极。

该论文的第一作者为叶国博士。该研究获得了国家自然科学基金委的资助。北师大刘楠课题组—可穿戴材料实验室真诚欢迎对该领域感兴趣的同学们加入，欢迎咨询：nanliu@bnu.edu.cn

课题组网站：

https://www.x-mol.com/groups/liunan

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303990

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