基于海藻的水凝膠傳感器，可作為健康監(jiān)測(cè)的第二層皮膚

這種水凝膠傳感器由海藻、巖鹽、水和石墨烯制成，相較于用于健康監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備的聚合物解決方案而言，其是一種更具可持續(xù)性的替代方案。

可穿戴技術(shù)通常采用柔軟輕質(zhì)的材料，以增加舒適度和便攜性。聚合物材料因其良好的柔韌性、耐用性和粘附性，在可穿戴設(shè)備中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著越來(lái)越多關(guān)于廢棄電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響的研究開(kāi)展，人們開(kāi)始尋找更具可持續(xù)性的環(huán)保材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）的研究人員提出一種用海藻替代聚合物的可穿戴傳感器解決方案?；诤Ｔ宓男滦蛡鞲衅鞑粌H可生物降解，還比基于塑料或橡膠的傳感器更靈敏、更精準(zhǔn)，展現(xiàn)了其在監(jiān)測(cè)人體生命體征方面的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“Food-Inspired, High-Sensitivity Piezoresistive Graphene Hydrogels”為題發(fā)表在American Chemical Society期刊上。本文將簡(jiǎn)要探討聚合物在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用，及其面臨的可持續(xù)性問(wèn)題，以及薩塞克斯大學(xué)的這項(xiàng)最新研究成果。

薩塞克斯大學(xué)研究制備的石墨烯海藻水凝膠，成分簡(jiǎn)單且可生物降解，研究人員稱其“可食用”。

聚合物材料及其可持續(xù)性的探索

聚合物材料在許多電氣工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如電池電極和涂層。柔性電子可穿戴傳感器是聚合物材料的一個(gè)典型研究領(lǐng)域，基于聚合物的壓阻傳感器可以根據(jù)電阻變化來(lái)檢測(cè)機(jī)械應(yīng)變。這種性能用于可穿戴設(shè)備，可以幫助監(jiān)測(cè)穿戴者的運(yùn)動(dòng)行為，從而更好地跟蹤他們的健康狀況。

研究人員探索了不同的材料來(lái)開(kāi)發(fā)這些壓阻傳感器，包括納米復(fù)合材料、彈性聚合物基底上的納米材料沉積或?qū)щ娋酆衔铩?/p>

基于聚合物的壓電機(jī)械傳感器示例

這些聚合物材料雖然具有低成本和高性能的優(yōu)點(diǎn)，但它們面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是可持續(xù)性。因?yàn)榛诰酆衔锏膫鞲衅鳠o(wú)法生物降解，最終會(huì)產(chǎn)生電子垃圾。此外，其制造過(guò)程通常需要使用有害溶劑，會(huì)導(dǎo)致塑料垃圾。這些材料的碳足跡還可能會(huì)影響其商業(yè)前景，并且隨著環(huán)境責(zé)任政策的變化，可能會(huì)限制它們進(jìn)入市場(chǎng)。

因此，有必要開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好和可生物降解的替代材料。研究人員不再依賴于不可回收、高度交聯(lián)的橡膠，轉(zhuǎn)而開(kāi)始探索其他方法來(lái)制備既有效又無(wú)害的器件。

基于海藻的新型傳感器

為了解決這些問(wèn)題，薩塞克斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型傳感器，該傳感器完全可生物降解，并且性能優(yōu)于現(xiàn)有的合成水凝膠和納米材料。

研究稱，這種新型傳感器通過(guò)將無(wú)污染的石墨烯水溶液與藻類基質(zhì)結(jié)合，從而制成石墨烯海藻水凝膠。天然材料（海藻、巖鹽和水）與石墨烯的結(jié)合，使這種新型傳感器成為目前主流聚合物解決方案的可持續(xù)替代方案。

雖然海藻本身是一種絕緣體，但在海藻混合物中添加大量石墨烯會(huì)形成導(dǎo)電薄膜。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這種薄膜浸泡在鹽水中時(shí)，會(huì)迅速吸收水分，形成一種“柔軟、海綿狀、導(dǎo)電的水凝膠”。

基于海藻的傳感器開(kāi)發(fā)過(guò)程

研究人員稱，石墨烯海藻水凝膠具有最小的楊氏模量（約0.6 Pa），適用于應(yīng)變傳感器，并具有壓阻特性，其壓力傳感能力遠(yuǎn)超商用和文獻(xiàn)報(bào)道的水凝膠傳感器。事實(shí)上，這種水凝膠傳感器非常靈敏，可以測(cè)量質(zhì)量?jī)H為2毫克的物體，相當(dāng)于一顆雨滴撞擊表面。

研究人員稱，這種新型傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)更環(huán)保的可穿戴解決方案，同時(shí)不會(huì)犧牲其傳感性能。它在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要價(jià)值，為臨時(shí)紋身或第二層皮膚的臨床級(jí)可穿戴應(yīng)用打開(kāi)了新的大門(mén)。由于基于純天然材料制成，該解決方案是含有電線和引線的侵入性醫(yī)療器械的一種輕便、舒適、安全的替代方案。此外，石墨烯海藻水凝膠與現(xiàn)有的基于聚合物的可穿戴設(shè)備相比更靈敏、更精準(zhǔn)。

相關(guān)論文：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c06101

審核編輯 ：李倩