如今，随着全球气候条件的逐渐变差，人类更易暴露在有害的外部刺激下（包括高温、高湿度、有害化合物和病原体），特别是2019年的COVID-19疾病的大规模爆发更是给我们敲响了警钟。所以，不论在任何情况下，个人防护装备（personal protective equipment, PPE）对于人体免受伤害至关重要。而传统的防护用具仅能提供有限的防御。尽管目前出现了各种用于人体运动监测、室外热管理和疾病诊断的功能化设备，但PPE的功能集成和工程化缺乏系统性，整个制备过程繁琐、耗时长。因此，迫切需要研发一种兼具更实用的性能和更简单的常规定制的综合性PPE，但仍然存在挑战。
为了实现经济有效的智能多功能防护设备的可编辑和工程化研究，近日，东南大学生物科学与医学工程学院葛丽芹教授课题组和信息科学与工程学院程强教授合作，设计了一种热/湿度驱动的多模式个人保护装备，该装置具有智能监测和防护功能，以及皮肤表面湿度和热量的调节功能。在此，该研究通过层层自组装技术（LBL assembly technology）将舒适度调节（Pleasurable self-regulation）、呼吸检测（Respiratory detection）、拒油式抗细菌粘附性（Oil repellent for anti-bacterial-adhesion）、透明化视觉监控有害挥发性有机化合物（Transparent visual-monitoring hazardous volatile organic compounds）、电磁屏蔽（Electromagnetic interference shielding）、损伤耐受性（Credible-Tolerance of damage）功能集成到单一的致动器（PROTECT致动器）中，便于多模式的个人防护。经实验证明，PROTECT致动器可保护用户免受外界环境的伤害以及对有害挥发性有机化合物（VOCs）的早期预警。这种防护型致动器的设计为新型自定义和易于获得的防护设备研究提供了有效的策略，特别是有望用于新一代具有非接触感知系统和全方位防护装置的智能PPE研发。
图1 PROTEC单向弯曲致动器及其多模式的个人防护功能概要
在这项工作中，研究人员将聚多巴胺纳米颗粒（PNP）交替沉积在致动器薄膜上以获得高的湿度灵敏度，并且引入聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）后可实现快速的温度响应，协同实现持久的湿热管理，并为长期使用的人员提供良好的环境舒适度。然后通过LBL自组装聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）以实现湿度响应的致动器电阻信号变化，将智能呼吸检测系统嵌入致动器中。此外，由于PROTECT致动器的高度亲水性，通过抗油污和细菌附着来防止了病原体的侵害，其中对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率均达到90%以上。并且该器件采用特殊的聚四氟乙烯（PTFE）材料作为基底膜，能够通过视觉观察PROTECT致动器的透明度变化来实时监测有害VOCs，非常方便和高效。另外，为了保护防护设备或工作人员免受电磁辐射干扰，这种嵌入导电PEDOT的多层网络结构显著提高了该致动器的电磁屏蔽性能。并且，还发现该致动器具备很强的自修复能力，延长了其使用寿命和可靠性，利于其在防护设备供应短缺的情况下的使用。综上所述，这种PROTECT致动器作为一种智能保护装置，将多种保护功能与本研究中构建的监测/检测系统相结合，有望在多种恶劣环境下提供多模式的健康和安全保障。
该研究论文以“Self-healing LBL dual ambiences-driven molecular gating-based unidirectional actuators for multi-mode personal protection”为题于2022年在国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》上在线发表，东南大学博士生苑仁强为第一作者，葛丽芹教授和程强教授为该论文共同通讯作者。
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