來源：四川大學機械學院
在當今科技蓬勃發展的時代，可穿戴電子設備在醫療領域的應用愈發廣泛，其中應用于個人康復訓練和醫療健康監測的柔性傳感器備受關注。近日，四川大學機械學院何亮團隊在這一領域取得研究進展，相關成果以“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期刊上發表。
研究背景：柔性傳感器的機遇與挑戰
隨著物聯網技術的進步，柔性可穿戴電子產品在人體運動監測、工業機器人、仿生設備、康復醫療設備等領域大顯身手。在運動醫學范疇，每年全球因運動導致的軟組織損傷，促使大量膝蓋或肘部相關手術開展，術后患者往往需要歷經3-6個月的長期康復訓練，這給患者帶來經濟與心理的雙重負擔。因此，基于個性化醫療的居家個人康復訓練和醫療健康監測成為緩解患者負擔、優化醫療資源配置的關鍵策略。
導電水凝膠憑借良好的離子電導性、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。然而，要開發出兼具高導電性、高靈敏度、高可靠穩定性，且具備抗菌性和生物相容性的水凝膠，并將其應用于多功能、高性能的柔性可穿戴應變/壓力傳感器，仍是一項極具挑戰性的任務。傳統導電水凝膠基柔性傳感器存在導電性和靈敏度欠佳的問題，難以捕捉人體細微動作，限制了其在個人康復訓練和醫療健康監測中的應用。同時，提高水凝膠的導電性和靈敏度面臨諸多難題，如導電納米填料的團聚問題，以及現有提高靈敏度的策略存在制作工藝復雜、成本高昂等弊端。此外，水凝膠在耐久性方面也存在不足，包括機械穩定性和環境耐受性，開發滿足要求的水凝膠傳感器迫在眉睫。
創新策略：協同增強實現性能突破
為攻克上述難題，何亮團隊提出了一種基于孔橋結構和分子擁擠效應的協同策略，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器，這一策略如下圖1所示。該水凝膠以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇 (PVA)為聚合物網絡，摻雜自組裝的MXene基納米異質結構，并通過冷凍-解凍循環和溶劑置換法引入分子擁擠劑 (DES)。這種共晶水凝膠呈現出獨特的孔橋形態，M@C網絡在孔壁上作為導電橋，賦予水凝膠卓越的導電性和傳感性能。同時，DES作為分子擁擠劑，增強了水凝膠的機械穩定性和環境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸發。
圖1 基于孔橋結構和分子擁擠效應的協同策略應用于高靈敏度共晶水凝膠應變/壓力傳感器的示意圖，具有優異的電導率、增強的機械穩定性和環境耐受性、近紅外誘導的光熱抗菌性和出色的傳感性能
在制備過程中，先利用LiF/HCl溶液刻蝕Ti?AlC?粉末獲得MXene納米片，再通過靜電自組裝法將其與胺化MWCNT制備成M@C納米異質結構。接著，將PVA溶解后與導電劑M@C、造孔劑碳酸氫鈉混合，經冷凍-解凍循環和HCl去除造孔劑得到具有大孔結構的PPM@C水凝膠，最后將其浸入DES水溶液中，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠。通過SEM，XRD，紅外等表征手段分析了共晶水凝膠的結構和物相變化，如圖2所示。
圖2 PPM@C-DES共晶水凝膠的合成過程和內在相互作用
卓越性能：多方面表現出色
PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器在性能上具有多方面優勢，在電導率、機械性能、環境耐受性、傳感性能以及光熱和抗菌性能等表現出色，為其在個人康復訓練和醫療健康監測等領域的應用提供了有力支撐。
從機械性能來看，該水凝膠在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、打結等多種復雜機械載荷下，都能保持形狀完整，且去除外部刺激后可完全恢復初始狀態。在導電性能方面，M@C構建的導電通路使其能夠點亮紅色LED，即便水凝膠被切斷后重新接觸，LED依然能亮起。在環境穩定性上，它在?30 °C下放置24小時仍能保持高柔韌性，在50 °C下長時間放置也能維持較高的殘留質量，展現出良好的抗凍和抗干燥性能。
此外，該水凝膠還具有突出的光熱和抗菌性能。基于MXene的局域表面等離子體共振 (LSPR)效應，它在近紅外 (NIR)光照射下具有超高的光熱轉換效率，能快速升溫，對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌的抗菌效率分別達到99.81%和99.68%，有效防止皮膚接觸感染和過敏，為按需光熱治療提供可能，如圖3所示。
圖3 (a) 使用PPM@C-DES共晶水凝膠作為防止皮膚接觸感染/過敏的可穿戴傳感器的抗菌機制示意圖。(b) 不同水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能，以及相應的抗菌率(c)和抑制區(d)。(e) 近紅外輻射 (0.3 W cm?2)下PBS、PVA水凝膠和PPM@C-DES共晶水凝膠的實時紅外熱圖像，以及相應的近紅外輻射切換下的溫度變化曲線(f)和溫度響應。
在傳感性能上，PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器的靈敏度高達4.49，在1%-290%的應變范圍內具有良好的線性響應，響應時間僅為131 ms，恢復時間為125 ms。在壓力傳感方面，它對不同壓力也能產生穩定、可靠的電流信號，在1200次壓縮循環中表現出出色的穩定性和耐久性，如圖4所示。
圖4 PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器的傳感性能
廣泛應用：醫療領域前景廣闊
PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復訓練和醫療健康監測領域具有廣泛的應用前景。將其固定在人體不同部位，可精準監測多種運動，如喉嚨處能感知聲帶振動，手指、頸部、手腕、肘部、膝蓋等部位的運動也能被準確監測，還可用于記錄康復訓練過程中的心電圖 (ECG)信號。基于其優異的光熱性能，該傳感器能為手術后遺癥（如關節疼痛或關節炎）提供按需光熱治療。經NIR誘導光熱治療后，能有效促進局部血液循環，減輕疼痛和關節僵硬，提升相關運動的傳感性能，如圖5所示。
圖5 開發的PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復訓練中的傳感應用，當安裝在人體不同關節時輸出信號
在信息傳遞方面，結合機器學習，該傳感器可實現高效信息傳遞和高保真手寫識別。通過手指動作按摩爾斯電碼傳遞信息，以及將手寫內容轉換為獨特電信號，借助2D-卷積神經網絡 (2D-CNN)，手寫識別準確率高達98.46%，為特殊患者與醫護人員之間的溝通提供了便利，如圖6所示。
圖6 PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在醫療保健監測中用于通信的適用性
分析與展望
此項研究成功制備出多功能PPM@C-DES共晶水凝膠應變/壓力傳感器，有效解決了導電聚合物水凝膠基多功能應變/壓力傳感器開發中的關鍵難題。該傳感器卓越的綜合性能，為未來可穿戴智能設備集成無線傳輸模塊奠定了堅實基礎，在個人康復訓練和醫療健康監測領域展現出巨大潛力。隨著技術的持續進步，有望進一步優化傳感器性能，拓展其在更多醫療場景中的應用，為人們的健康福祉貢獻更多力量。?
