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湖北工業大學 EnSM：用于自供電智能交互系統的血清白蛋白水凝膠

2024-03-08 來源：高分子科技

用于人體健康監測的電子學發展很大程度依賴于材料的特性，對于柔性儲能器件而言，使用人造材料作為器件的柔性基底面臨造成潛在胃腸道疾病等健康風險。因此，天然來源的動物蛋白材料具有廣泛的應用前景，但其合成中潛在的毒性成分對其在醫療保健檢測中的應用造成了安全隱患。因此，開發一種高輸出性能且生物相容性優異的蛋白質材料用于智能化人體健康監測是當下研究的迫切需求。

近日，湖北工業大學材料與化學工程學院張一帆博士，上海電機學院陳俊麗博士，廈門大學海洋學院劉向陽教授在儲能材料領域重要期刊《Energy Storage Materials》發表了題為《Serum albumin hydrogels designed by protein Re-association for self-powered intelligent interactive systems》的研究論文。該研究通過對牛血清蛋白（BSA）的蛋白質結構重構，制備了一種同時兼具優異的機械可逆性、生物相容性、生物降解性、抗凍性和抗菌性能的蛋白質基水凝膠，并成功將其應用于人機交互系統，實現了人體運動信號及多通道遠程信號的采集和對機械設備的操控。該水凝膠利用蛋白質與蛋白質之間的相互作用和多臂烯烴類衍生物與蛋白質分子發生的巰基—烯點擊反應制備而成（圖1）。

圖1 基于蛋白質相互作用和巰基點擊反應相結合的蛋白質水凝膠體系

其中，多臂烯烴類衍生物將BSA分子緊密結合在一起，而蛋白質中大量類似彈簧的α-螺旋結構給予水凝膠材料良好的機械性能（圖2）。蛋白質分子的重構提供了一種新型穩定的網絡結構，實現了水凝膠的理想特性。

圖2 BSA水凝膠的成型機制

與此同時，由于水凝膠對壓力和電信號的響應，進一步研究了水凝膠機械性能和電學性能之間的轉換，開發了一種基于BSA水凝膠的信號采集系統，基于該系統可以實現對人體運動信號的無線實時采集，從而能夠對特定手勢信號進行多通道信號獲取（圖3）。

圖3 多通道遠程運動識別系統

除此之外，該研究利用BSA水凝膠和絲素蛋白薄膜（SF）得到了一種單電極摩擦納米發電機（TENG），并開發了基于全蛋白TENG的智能人機交互系統（HMIS）。基于SF/BSA的HMIS能夠在PC端上實現單指力對機器人手勢的操作以及電信號和手勢的識別（圖4）。未來有望在癱瘓患者的康復訓練、遠程機械操作和殘疾人的手語翻譯等實際領域中得到應用。

圖4 HMIS電路原理圖及控制系統和機械手的照片

湖北工業大學材料與化學工程學院是論文第一單位，該論文成果得到了國家自然科學青年基金、湖北省教育廳科研項目、綠色輕工材料湖北省重點實驗室的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103266

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（責任編輯：xu）

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