用于智能可穿戴人机交互的柔性抗菌表皮传感器

导电水凝胶具有类似皮肤的柔软性、与生物组织的结构相似性和可调谐的3D导电通道，有望应用于可穿戴电子设备、柔性储能系统和智能医疗。同时，基于导电水凝胶的表皮传感器可以将生理活动信号转化为可检测的电子信号，因此在柔性电子皮肤，人机界面，和医学诊断领域拥有广阔前景。然而，目前基于导电水凝胶的表皮传感器通常表现出较弱的机械强度、低电导率和有限的传感性能。这严重阻碍了对微小电生理信号的监测（如肌电图（EMG）信号和心电图（ECG）信号），限制了其在康复训练和肌肉和心血管相关疾病诊断中的实际应用。最近，多种基于导电水凝胶的柔性表皮传感器被开发用于人体健康监测，但它们缺乏可靠的敏感诊断医疗保健传感和及时治疗的集成高效治疗能力。因此，开发有效的抗菌、加速伤口愈合和伤口治疗的可靠策略至关重要。在多种策略中，基于功能性水凝胶的伤口敷料是一种简单而有效的伤口治疗方法。此外，多功能水凝胶具有可靠的自愈能力、强大的可注射性和优异的抗菌活性，可直接注射到伤口部位，完全覆盖不规则形状的伤口，保护伤口免受进一步感染，并实现高效抗菌和加速伤口修复。

近日，北京化工大学万鹏博教授团队开发了一种基于抗菌MXene水凝胶的柔性可愈合高性能表皮传感器，可有效加速伤口愈合，实现灵敏的可穿戴人机交互。制备出的水凝胶具有增强的机械性能、出色的自愈能力、可靠的可注射性、易降解性、优异的生物相容性和强大的抗菌能力，可组装成多功能表皮传感器，灵敏监测人体运动以进行康复治疗训练，以检测用于诊断心血管和肌肉相关疾病的微小电生理信号，并用于可穿戴式人机交互。该工作所制备的具有多功能集成的个人健康诊断和智能医疗的柔性可愈合表皮传感器，有望用于可穿戴人机交互和下一代人造皮肤。该研究以题为“Flexible Accelerated-Wound-Healing Antibacterial MXene-Based Epidermic Sensor for Intelligent Wearable Human-Machine Interaction”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

MXenes水凝胶的制备

MXenes是一种新兴的二维导电过渡金属碳化物和碳氮化物，已被广泛用于传感、能量存储、电磁干扰屏蔽和催化剂。MXene纳米片具有带负电荷的亲水表面，因此有着较大的比表面积和高导电性。

作者通过将抗菌银纳米粒子包覆的 MXene (AgNPs/MXene) 纳米片网络引入瓜尔豆胶 (GG) 的聚合物网络和苯硼酸接枝海藻酸钠 (Alg-PBA) 来制备Mxenes水凝胶（图 1）。首先，作者通过HCl/LiF蚀刻方法从Ti 3AlC 2预聚体中去除Al层，制备MXene纳米片（图 2a）。其次，作者将硝酸银 (AgNO 3) 水溶液逐滴加入到均匀分散的MXene纳米片水溶液中，将 AgNPs引入MXene纳米片的表面。混合溶液中的Ag +通过静电相互作用吸附到带负电的 MXene纳米片表面，然后通过接收来自MXene的电子发生氧化还原反应。接着，作者将Alg-PBA添加到预分散的AgNPs/MXene纳米片水溶液中，通过它们之间的界面超分子相互作用形成超分子组装体。最后，将GG（图2d（ii））添加到上述超分子组装体中，通过它们之间的界面超分子相互作用以及GG和羟基之间的动态交联，形成MXene水凝胶（图 2e）。图 2f 展示了水凝胶中的3D互连多孔结构。

图1. a) 可愈合、可注射和抗菌的MXene水凝胶的制造示意图，以及在b)人体健康监测和c)伤口治疗中的进一步应用。

图2. a) 手风琴状Ti3C2Tx的SEM图像。b) MXene纳米片的SEM图像。c) MXene 纳米片的TEM图像。d) 苯基硼酸接枝海藻酸钠(Alg-PBA)和瓜尔豆胶(GG)的分子结构。e) MXene水凝胶的光学图像。f) 冷冻干燥的MXene水凝胶的SEM图像。

MXenes水凝胶的自愈合性和可注射性

受益于AgNPs/MXene纳米片、GG和Alg-PBA之间的超分子相互作用，以及GG的羟基与Alg-PBA的苯基硼酸基团之间的动态交联，MXene水凝胶具有出色的自愈能力（图3a）。同时，明显的剪切稀化特性赋予了MXene水凝胶强大的可注射性（图3b）。

图3. MXene水凝胶的自愈合性能和可注射性。

MXenes水凝胶的传感性能

作者将MXene水凝胶组装成具有多功能的可穿戴表皮传感器，用于全面监测人类活动。如图4所示，传感器可用于手腕弯曲、手指弯曲、喉咙吞咽、脉搏实时测量等实际应用中，对康复训练检测和个人健康监测具有重要意义。

图4. 由MXene水凝胶组装而成的表皮传感器，用于人体运动检测。

同时，MXene水凝胶传感器还可监测电生理信号（如ECG和EMG信号），用于潜在的心血管和肌肉相关疾病的诊断（图5）。受益于MXene水凝胶良好的贴合性和皮肤与电极之间的界面接触、高导电性和出色的传感性能， MXene水凝胶测量的EMG信号具有优异的信噪比 (SNR, 17.80 dB) 高于商用电极 (10.17 dB)。因此，基于MXene水凝胶的表皮传感器在人类医疗保健传感和疾病预测方面具有巨大潜力。

图5. 由MXene水凝胶组装而成的表皮传感器，用于电生理信号检测。

最后，作者展示了将该柔性表皮传感器用于智能人机交互和智能手势识别（图 6）。当志愿者在佩戴无线体感手套后，可将手势信号通过无线控制从柔性表皮传感器传递到机械手的手指上。如图6b、c所示，当志愿者佩戴无线体感手套做出动作时候，手套上的传感器能通过无线控制将手指弯曲的动作实时传递给机械手，从而实现手势“yes”和对机器人的抓握。该表皮传感器在手语翻译、多功能假肢和智能人机交互方面具有广阔的应用前景。

图6. a) 柔性表皮传感器附着在机械手的手指上，当志愿者佩戴无线体感手套进行感应时，由志愿者的手进行无线控制b)手指弯曲以展示“yes”的手势和c)机器人的抓握。

【小结】

该工作开发了一种可治愈、可注射和抗菌的MXene水凝胶，可用于高灵敏度的个人医疗保健监测和后续治疗。MXene水凝胶是通过将抗菌AgNPs/MXene纳米片网络结合到聚合物水凝胶网络中制成的，具有增强的机械强度、改善的电导率和强大的抗菌性能。此外，AgNPs/MXene纳米片、GG和Alg-PBA之间的超分子相互作用，以及Alg-PBA的苯基硼酸基团与GG的羟基之间的动态交联，赋予了MXene水凝胶优异的自愈能力。同时，MXene 水凝胶显著的剪切稀化特性证明了其具有良好的可注射性。MXene水凝胶可组装为多功能表皮传感器，以灵敏监测人体大运动信号和微小电生理信号，如心电图和肌电信号，最终为康复训练和心血管和肌肉相关的潜在疾病提供健康诊断支持。此外，该MXene水凝胶可直接注射到伤口部位，以治疗伤口感染并有效加速伤口愈合。本研究为制备具有优异自愈能力、可靠注射性、强抗菌性以及同时传感和治疗的优异传感性能的基于导电水凝胶的表皮传感器的制备提供了新的思路，有望应用于可穿戴电子、个人健康诊断、智慧医疗、可穿戴人机交互领域。