柔性可穿戴設(shè)備在定制化人體健康監(jiān)測以及便攜式醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)展迅速，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確監(jiān)測人體各種生理信號(心率、運動、聲音和體溫變化等)，能及時守護人體健康，極大地提升人類的生活質(zhì)量。然而，對于下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的應(yīng)用來說，迫切需要具有長巡航時間、高操作安全性和機械靈活性的可穿戴柔性傳感器系統(tǒng)。在不需要外部電源的情況下，對生理信號進行準(zhǔn)確、連續(xù)的檢測是實現(xiàn)可穿戴電子產(chǎn)品優(yōu)化和快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。以上應(yīng)用不僅需要傳感器能夠準(zhǔn)確、連續(xù)地檢測生理信號，而且不需要龐大的連接線或外部電源的接入。自供電集成設(shè)備能夠?qū)⒁恍┉h(huán)境能量高效地轉(zhuǎn)化為電能，在為實現(xiàn)生物信號實時檢測的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)多余能量的存儲，無需外部供能就能進行持續(xù)的人體健康信息實時檢測，彌補了傳統(tǒng)柔性可穿戴設(shè)備存在的不足，為下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展和真正實現(xiàn)柔性設(shè)備的便攜式長續(xù)航應(yīng)用提供了新的思路。

最近，中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室王麗麗副研究員和沈國震研究員與吉林大學(xué)等單位合作，設(shè)計了一種新型MXene/BP半導(dǎo)體薄膜基自供電柔性感知集成系統(tǒng)。該自供電柔性感知集成系統(tǒng)是由柔性壓力電子器件、激光直寫微型超級電容器和柔性太陽能電池構(gòu)成。其中微型超級電容器具有較高的能量存儲能力，用以驅(qū)動柔性壓力傳感器工作，補償光照明的間歇性。不僅能夠在光照下工作，在黑暗的條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)長時間正常運行，真正實現(xiàn)自供電柔性人體健康檢測功能(圖1)。該成果近期以題為“Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus @MXene Thin-Films”發(fā)表在Adv. Mater. (2021，2007890, DOI: 10.1002/adma.202007890)上。

圖1自供電柔性傳感集成系統(tǒng)應(yīng)用于人體監(jiān)測監(jiān)控

此外，王麗麗副研究員、沈國震研究員還提出了將MXene通過強的氫鍵與聚乙烯醇（PVA）相結(jié)合形成柔性半導(dǎo)體薄膜，來設(shè)計高度穩(wěn)定的電子皮膚。將該柔性電子器件應(yīng)用于活體小鼠實驗中，研究結(jié)果顯示出良好的生物相容性和功能（圖2）。這項工作表明，使用電子技術(shù)重現(xiàn)皮膚的特征為未來的軟機器人和醫(yī)學(xué)修復(fù)提供了新的方向。該成果以題為“Highly-stable polymer-crosslinked 2D MXene-based flexible biocompatible electronic skins for in vivo biomonitoring”發(fā)表在Nano Energy (2021,84,105921.DOI //doi.org /10.1016 /j.nanoen.2021.105921)上。

圖2可植入柔性電子器件在活體實驗中的應(yīng)用

同時，該研究團隊又實現(xiàn)了MXene材料在電子皮膚中的電極和活性層應(yīng)用通過真空過濾技術(shù)，在三維聚丙烯腈(PAN)網(wǎng)絡(luò)的頂面和底面集成幾層MXene電極，形成穩(wěn)定的電子皮膚。柔性器件性能優(yōu)于其他電極，具有出色的器件性能，高靈敏度為104 kpa-1，快速響應(yīng)/恢復(fù)時間為30/20 ms，低檢測限為1.5 pa。此外，該電極和構(gòu)造的基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器表現(xiàn)出良好的機械穩(wěn)定性，并且可以經(jīng)受240次彎曲循環(huán)。這種堅固、靈活的器件可以像拼圖或折紙一樣放大或折疊，并從2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)（圖3）。該成果以題為“Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for High‐Performance Electronic Skin”發(fā)表在Adv.Funct.Mater.(2021,2010533, DOI: https: // doi.org / 10.1002 /adfm.202010533)上。

圖3可折疊柔性電子器件

基于以上研究成果，沈國震研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊?wèi)?yīng)邀撰寫了多篇基于柔性傳感器的人機交互系統(tǒng)、基于柔性電子皮膚的可穿戴植入/介入醫(yī)療器件的綜述論文，系統(tǒng)的介紹了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。部分研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (2021, DOI: //10.1002/adfm.202008936)以及Adv. Mater. Technol.（2021, DOI: // 10.1002 /admt.202100107）等期刊上。

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