【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在當(dāng)今科技蓬勃發(fā)展的時(shí)代，可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其中應(yīng)用于個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)的柔性傳感器備受關(guān)注。近日，四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院何亮團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Synergistic enhancement of hole-bridge structure and molecular-crowding effect in multifunctional eutectic hydrogel strain/pressure sensor for personal rehabilitation training”為題在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表，第一作者為機(jī)械工程學(xué)院22級(jí)博士生王文武。
 

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，柔性可穿戴電子產(chǎn)品在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、仿生設(shè)備、康復(fù)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域大顯身手。在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)范疇，每年全球因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的軟組織損傷，促使大量膝蓋或肘部相關(guān)手術(shù)開(kāi)展，術(shù)后患者往往需要?dú)v經(jīng)3-6個(gè)月的長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練，這給患者帶來(lái)經(jīng)濟(jì)與心理的雙重負(fù)擔(dān)。因此，基于個(gè)性化醫(yī)療的居家個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)成為緩解患者負(fù)擔(dān)、優(yōu)化醫(yī)療資源配置的關(guān)鍵策略。
 

　　導(dǎo)電水凝膠憑借良好的離子電導(dǎo)性、易于集成以及與生物組織的相似性，成為柔性傳感器的理想材料。要開(kāi)發(fā)出兼具高導(dǎo)電性、高靈敏度、高可靠穩(wěn)定性，且具備抗菌性和生物相容性的水凝膠，并將其應(yīng)用于多功能、高性能的柔性可穿戴應(yīng)變/壓力傳感器，仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠基柔性傳感器存在導(dǎo)電性和靈敏度欠佳的問(wèn)題，難以捕捉人體細(xì)微動(dòng)作，限制了其在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。同時(shí)，提高水凝膠的導(dǎo)電性和靈敏度面臨諸多難題，如導(dǎo)電納米填料的團(tuán)聚問(wèn)題，現(xiàn)有提高靈敏度的策略存在制作工藝復(fù)雜、成本高昂等弊端。此外，水凝膠在耐久性方面也存在不足，包括機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，開(kāi)發(fā)滿足要求的水凝膠傳感器迫在眉睫。
 

　　圖1.基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略應(yīng)用于高靈敏度共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器的示意圖，具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、增強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性、近紅外誘導(dǎo)的光熱抗菌性和出色的傳感性能

 

　　為攻克上述難題，何亮團(tuán)隊(duì)提出了一種基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器。該水凝膠以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇(PVA)為聚合物網(wǎng)絡(luò)，摻雜自組裝的MXene基納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)冷凍-解凍循環(huán)和溶劑置換法引入分子擁擠劑(DES)。這種共晶水凝膠呈現(xiàn)出獨(dú)特的孔橋形態(tài)，M@C網(wǎng)絡(luò)在孔壁上作為導(dǎo)電橋，賦予水凝膠卓越的導(dǎo)電性和傳感性能。同時(shí)，DES作為分子擁擠劑，增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸發(fā)。
 

　　圖2.開(kāi)發(fā)的PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練中的傳感應(yīng)用，當(dāng)安裝在人體不同關(guān)節(jié)時(shí)輸出信號(hào)

 

　　PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。將其固定在人體不同部位，可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)多種運(yùn)動(dòng)，如喉嚨處能感知聲帶振動(dòng)，手指、頸部、手腕、肘部、膝蓋等部位的運(yùn)動(dòng)也能被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，還可用于記錄康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的心電圖(ECG)信號(hào)。基于其優(yōu)異的光熱性能，該傳感器能為手術(shù)后遺癥(如關(guān)節(jié)疼痛或關(guān)節(jié)炎)提供按需光熱治療。經(jīng)NIR誘導(dǎo)光熱治療后，能有效促進(jìn)局部血液循環(huán)，減輕疼痛和關(guān)節(jié)僵硬，提升相關(guān)運(yùn)動(dòng)的傳感性能。
 

　　此項(xiàng)研究成功制備出多功能PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器，有效解決了導(dǎo)電聚合物水凝膠基多功能應(yīng)變/壓力傳感器開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵難題。該傳感器卓越的綜合性能，為未來(lái)可穿戴智能設(shè)備集成無(wú)線傳輸模塊奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在個(gè)人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，有望進(jìn)一步優(yōu)化傳感器性能，拓展其在更多醫(yī)療場(chǎng)景中的應(yīng)用，為人們的健康福祉貢獻(xiàn)更多力量。