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  作為醫學診斷和人機交互的重要媒介，生物電極已被廣泛用于獲取并監測能夠反應當前健康狀況及生物電狀態的電生理信號。較早的侵入式剛性電極需要手術植入，會對人體造成損傷，而柔性電極僅需要附著在皮膚上便可收集信號，具有明顯的優勢。然而，大多數具有良好性能的柔性電子皮膚由不透水不透氣的膜或凝膠構成，阻礙了人體與周圍環境之間的氣體交換，從而降低了熱和濕度管理的效果。長時間地使用會導致與皮膚接觸界面上的汗液積累，在影響電子皮膚使用舒適性的同時還會對信號采集產生負面影響，導致信號錯誤或丟失。此外，汗液中的有機物為微生物生長提供了良好環境，易導致細菌感染和炎癥的產生，對人體健康造成危害。因此，構建和開發出具有排汗能力，透氣性和抗菌性的柔性電子皮膚至關重要。

  蘇州大學嚴鋒教授團隊，通過對聚離子液體（PIL）化學結構的設計和靜電紡絲工藝參數的調節，制備了一種基于PIL的雙梯度多層納米纖維膜(PIL膜)電子皮膚。由于具有潤濕梯度和孔徑梯度，PIL電子皮膚在保證透氣性的同時，實現了對汗液的定向運輸。同時，得益于與PIL之間的靜電作用，噴涂在納米纖維膜上的羧基改性碳納米管提供了穩定的導電性，實現對生物電信號的收集和監測。此外，PIL本征的廣譜抗菌性能有效抑制微生物的生長，防止細菌感染，為使用者提供舒適和安全的使用環境，表現出在可穿戴設備，健康監測和人機交互等方面的廣闊應用前景。相關工作以“Moisture-wicking, Breathable and Intrinsically Antibacterial Electronic Skin Based on Dual Gradient poly(ionic liquid) Nanofiber Membranes”為題發表在《Advanced Materials》上。

 

【用于生物電信號監測的吸濕、透氣和抗菌的PIL電子皮膚的制備及應用示意圖】

【PIL電子皮膚的孔徑梯度及潤濕性梯度】

  研究人員合成了兩種可聚合的離子液體單體，與丙烯腈共聚后通過靜電紡絲工藝制備出PIL基的復合納米纖維膜。通過對聚離子液體中通過對陰離子、陽離子和烷基鏈的設計調控，以及靜電紡絲工藝參數的調節，構建了三層納米纖維膜間的孔徑梯度（由內層的大孔到外層的小孔）及潤濕性梯度（由內層的疏水到外層的親水），并通過表觀接觸角的實驗和徑向分布函數的理論模擬計算進行了驗證。

 

【PIL電子皮膚的單向導水機理】

  在材料的潤濕性即接觸角θ不變的情況下，對于單層纖維材料，由Young?Laplace方程可知，增大纖維之間的孔徑D可減小阻力pL，從而使水分更易穿透。而對于多層的復合纖維材料而言，增大疏水側的孔徑，減小親水側的孔徑，可以使水分在拉普拉斯壓差和表面張力的共同作用下，自發、快速且不可逆地從靠近人體皮膚的內層疏水側向遠離皮膚的外層親水側運動，實現了對汗水的單向傳輸。研究人員用熒光素鈉標記的綠色液滴很好地展示了水分在PIL膜中的定向運動過程。

【PIL電子皮膚的定向水分傳輸及透氣透水性能】

  研究人員通過突破壓力的測試，驗證了PIL基柔性電子皮膚兩側對水分表現出的巨大差異性，并通過水分管理測試儀進一步量化了PIL基柔性電子皮膚的定向透水性能。同時，多層堆疊的納米纖維膜內部存在許多通道，使氣體和水分子可以輕松地流動，從而保證了PIL電子皮膚具有優秀的透氣和透水性能。

【PIL電子皮膚的抗菌性能】

  PIL材料可以與帶負電荷的細菌表面相互作用，使疏水鏈段（如烷基鏈）進入細菌脂質膜，導致細菌塌陷，破裂和死亡，因此具有廣譜的抗菌性。研究人員以革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(S. aureus)和革蘭氏陽性陰性大腸桿菌(E. coli)為模型進行了系統的抗菌性測試。結果顯示，PIL電子皮膚具有優異的抗菌性能，抑菌率達99%以上，足以保證在使用時不會產生細菌感染。

  

【器件的組成結構及對生物電信號的收集】

  人體中活躍的細胞或組織都會定期產生與其狀況密切相關的電信號，研究人員通過制備出的PIL電子皮膚對這些電脈沖（如ECG信號）進行拾取和記錄，使其可用于健康檢測和醫學診斷。此外，與普通凝膠電極相比，PIL基柔性電子皮膚即使在人體運動出汗的情況下，依然能夠準確地獲取到電信號，并且可以保持與皮膚接觸界面的干爽，確保信號的穩定性和使用者的舒適度。

 

【通過對肌肉電信號的采集實現對機械手的控制】

  此外，肌肉在運動時會產生肌肉電信號，使用PIL基柔性電子皮膚對這些信號進行收集，再通過模數轉換和簡單的邏輯判斷，可以將肌肉電信號轉換為計算機可識別的實時控制命令（例如開/關），由此實現初步的人機交互功能。

  總而言之，研究人員制備出了由三層具有不同親水性和孔徑的PIL納米纖維膜組成的電子皮膚，其具有優秀的吸濕排汗、透氣性和抗菌性能，可以將人體皮膚與柔性電極界面之間產生的汗水快速排出，從而精確、穩定地收集人體的各種生物電信號（如ECG和EMG信號），并利用這些信號完成對機械手的實時操控。實現了在真實出汗的環境下，對人體電信號進行長期安全和穩定地收集，這對于促進持續健康監測、疾病診斷和人機交互的發展至關重要。

  文章的第一作者是蘇州大學的博士研究生鄭思潔，通訊作者為蘇州大學的嚴鋒教授。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106570