基于新型复合水凝胶的压阻式压力传感器，可用于各种生物医学应用

材料科学和功能性纳米材料的最新进展推动了可穿戴压力传感器的快速发展，尤其在电子皮肤、疾病诊断、人机界面、医疗保健、生物监测和人工智能（AI）等应用领域备受关注。高性能柔性材料对于可穿戴压力传感器的开发至关重要，这些材料能够使器件更好地实现高灵敏度、宽检测范围、机械稳定性、快速响应/恢复时间等关键特性，从而满足长期、低成本、舒适性等全方位的生物监测需求。

据麦姆斯咨询报道，近期，以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的研究团队提出一种新型复合水凝胶，可作为灵敏的压阻式压力传感器，用于各种生物医学应用，包括可穿戴皮肤贴片、集成式人工皮肤、脉搏和血压测量，以及作为自供电麦克风实现监测声音等。相关研究成果以“Conductive Peptide-based MXene Hydrogel as a Piezoresistive Sensor”为题发表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

这项研究所提出的水凝胶由含有芳香族、带正负电荷氨基酸的短肽Fmoc-FF与二维Ti₃C₂Tz MXene纳米片复合而成。这种MXene/肽复合水凝胶不仅成本低、制备简单、稳定可靠且适合大规模生产，同时能保持高灵敏度、宽检测范围、耐久性、氧化稳定性和生物相容性。

图1 MXene/肽复合水凝胶的制造示意图

图2 MXene/肽复合水凝胶的形态特征

图3 MXene/肽复合水凝胶中MXene的电性能和氧化保护作用

研究人员通过将Fmoc-FF肽与二维Ti₃C₂Tz MXene纳米片相结合，开发出仿生、灵敏且稳定的MXene/肽复合水凝胶压阻式压力传感器。得益于芳香族二肽的简单制备和功能性，该传感器展现出良好的机械性能、压力传感性能、抗氧化损伤的稳定性、自修复能力、宽检测范围（0 ~ 400 kPa）、高灵敏度（38.5 kPa⁻¹）、极快的响应/恢复时间（0.641/0.614 ms）以及优异的循环耐用性（超过20000次）。

图4 MXene/肽复合水凝胶的机械特性

图5 作为压阻式压力传感器的MXene/肽复合水凝胶的传感性能

该压阻式压力传感器可直接贴附在人体皮肤上，用以捕捉包括微小形变在内的各种人体生理信号，例如手腕的脉搏和声音，同时还能实现高灵敏度、宽检测范围、快速响应/恢复时间和适用于长期生物监测的可靠性。此外，该传感器还可以作为自供电麦克风用于声音监测。这些研究成果展现了MXene/肽复合水凝胶在下一代人工皮肤和个人医疗健康可穿戴设备领域的巨大应用潜力。

图6 基于MXene/肽复合水凝胶的压阻式压力传感器的性能和应用

综上所述，这项研究从材料层面探索创新，成功开发了一种基于MXene/肽复合水凝胶的仿生压阻式压力传感器。该传感器具备高灵敏度、宽检测范围、耐久性、氧化稳定性和生物相容性等性能，有望在下一代人工皮肤和个人健康监测可穿戴设备领域发挥重要应用价值。

论文信息：
https://doi.org/10.1002/adhm.202303632

 

 

 

审核编辑：刘清