柔性可穿戴電子器件能直接貼在皮膚表面，實(shí)現(xiàn)人體生理信息的原位、實(shí)時(shí)及連續(xù)監(jiān)測(cè)，在個(gè)性化醫(yī)療領(lǐng)域具有極其可觀的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的柔性可穿戴傳感器多基于石墨烯、Ecoflex、織物等材料，因存在器件-皮膚界面機(jī)械強(qiáng)度失配、穿戴不適、生物相容性不足等問題，難以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。水凝膠是一種高含水量的三維網(wǎng)狀聚合物，具有優(yōu)異的生物相容性和接近人體皮膚的彈性模量，成為發(fā)展下一代柔性可穿戴傳感器的理想選擇。然而，發(fā)展水凝膠柔性傳感器仍面臨以下挑戰(zhàn)：1、水凝膠容易失水，進(jìn)而引起機(jī)械、電學(xué)等性能發(fā)生改變，導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定;2、高含水量增加水凝膠與其它基底或電極材料之間的鍵合難度。解決水凝膠的水分蒸發(fā)和弱界面粘接問題，提升耐用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及開發(fā)低成本、大面積水凝膠柔性器件制備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。

為此，西安交通大學(xué)蔣莊德院士、趙立波教授團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授課題組首次探索了明膠-甲基丙烯酸酯水凝膠(Gelatin methacryloyl，GelMA)用于發(fā)展柔性觸覺器件的可行性，研發(fā)了一種基于GelMA的高靈敏度、透明、皮膚適形、可完全溶液加工的柔性可穿戴觸覺傳感器，有效克服上述難題，并實(shí)現(xiàn)了在人身體上的可穿戴醫(yī)療應(yīng)用。該GelMA柔性傳感器可經(jīng)受住3500多次循環(huán)壓力作用，在72小時(shí)內(nèi)能保持測(cè)量性能穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)低成本、大面積制備，為實(shí)現(xiàn)水凝膠柔性傳感器的工程化應(yīng)用帶來(lái)了新希望。

(a)GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(b)完全基于溶液加工的制備技術(shù)

(c)GelMA水凝膠柔性觸覺傳感器照片(d)GelMA水凝膠觸覺傳感器的循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

該水凝膠柔性觸覺傳感器采用電容檢測(cè)原理，利用GelMA為介電彈性體，通過壓力感知來(lái)實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)檢測(cè)。研究人員提出了一種可完全溶液加工的電容壓力傳感結(jié)構(gòu)，將GelMA作為核心介電彈性體，通過在其兩側(cè)設(shè)置一層輔助鍵合層(如PDMS層)來(lái)控制水分蒸發(fā)。通過將輔助鍵合層表面化學(xué)處理，并采用紫外光照射的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其與GelMA之間的化學(xué)鍵合，以增強(qiáng)器件結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化學(xué)處理等工藝，開發(fā)了一種完全溶液加工的低成本、大面積制備技術(shù)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略及制備技術(shù)具有普適性，可用于發(fā)展其它水凝膠柔性觸覺傳感器。此外，由于GelMA介電彈性體、PEDOT:PSS電極、輔助鍵合和基底層均為透明材料，整個(gè)器件具有很好的透光性，對(duì)發(fā)展隱形可穿戴電子有重要意義。

該研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”為題近日在國(guó)際知名期刊 Advanced Functional Materials (IF=16.836)上在線發(fā)表，并被選為封面文章。西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院李支康副教授為論文第一作者，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院趙立波教授、香港大學(xué)張世明助理教授以及加州大學(xué)洛杉磯分校Ali Khademhosseini教授為共同通訊作者。此外，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授羅國(guó)希、生命學(xué)院助理教授劉灝、前沿院博士生薛語(yǔ)萌共同參與了此項(xiàng)工作。

該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。