人體皮膚是一個重要的身體器官，它能夠通過離子傳輸機制實現機械外力的感知，例如壓力、應變以及扭轉等。同時，它還具有自我修復能力，能夠在外部損傷後恢復初始功能。受人類皮膚感知結構的啟發，已經有個別研究團隊報告了幾種具有離子傳輸機制的離子皮膚。它們具有高抗干擾性、出色的空間解析度以及對靜態和動態刺激的出色響應。然而，這些離子皮膚很容易受到持續磨損引起意外機械損傷，導致功能中斷或設備壽命減少。因此，與人類皮膚類似的自我修復能力是恢復受損功能以確保穩定性和增加設備使用壽命所必需的重要固有屬性。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊在朱錦研究員的帶領下基於多年的自癒合材料和電子皮膚的研發經驗（Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2106341； Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2009869； Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127691； Chemical Engineering Journal, 2021, 410, 128363； ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 11072； Materials Today Physics, 2020, 14, 100219.），同時與韓國漢陽大學的Do Hwan Kim教授團隊以及韓國忠南大學的Kyung Jin Lee教授團隊共同合作，開發出一種「超靈敏且可自修復的離子皮膚」。它擁有像人體皮膚一樣的彈性且具有自我修復能力，靈敏的觸覺功能可以隨著傷口的癒合而恢復。
首先，上述研究團隊根據觸覺細胞的機械刺激響應原理，模擬真實人體皮膚的自愈功能和生物離子信號傳遞機制，設計合成了一種含有動態二硫鍵功能基團和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料。動態二硫鍵一直在進行可逆的動態鍵合，無需額外的能量即可使傷口在室溫下也能快速自主自愈。其次，他們以離子液體作為信號傳輸介質，填充入上述熱塑性聚氨酯材料以後，開發出新型的離子導體。最後，以銀納米線為柔性電極，聚氨酯為封裝材料，組裝成目標離子皮膚。由於聚氨酯中引入的氯取代基電負性較大，與離子液體間具有可逆的離子偶極相互作用。通過機械刺激改變氯取代基與離子液體之間可逆的離子偶極相互作用，能夠有效提高即時電容和初始電容的差值，從而提高靈敏度。不僅如此，該研究工作還系統地闡述了壓電離子動力學（piezo-ionic dynamics）機制，以解釋高靈敏度的引發原理。這項研究成果模擬了類似生物觸覺細胞的離子信號傳輸系統，根據力的變化控制離子導體內部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。非常有意義的是，它提出了一種同時恢復傷口和觸覺功能的離子皮膚技術的新概念，有望應用於可穿戴醫療領域中的人機接口。
相關成果以「Ultrafast, autonomous self-healable iontronic skin exhibiting piezo-ionic dynamics」為題在Nature Communications期刊上在線發表。本工作的通訊作者為中科院寧波材料所應鄔彬副研究員、韓國漢陽大學Do Hwan Kim教授以及韓國忠南大學Kyung Jin Lee教授，第一作者為韓國漢陽大學Elvis K. Boahen和韓國忠南大學潘寶海博士。
離子皮膚的設計概念設計：由離子動力學產生的動作電位刺激和動態二硫鍵的鍵交換效應模擬人體皮膚的外力感知和自癒合功能
原文連接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35434-8
文章來源：中科院寧波材料所
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