生物皮肤作为一个与外界交互的智能器官，它不仅能感知各种外部刺激(如压力、拉伸和湿度等变化)，而且还具有各种先进的生物功能。例如，很多生物皮肤具有自动愈合伤口、释放分泌物以杀死入侵的细菌以及抵抗寒冷天气的能力。更有趣的是，自然界中的变色龙等生物可以通过控制皮肤表面周期性鸟嘌呤纳米晶体结构色来改变皮肤颜色，以达到伪装、求偶和警示天敌等目的。虽然这些灵敏的智能感应及功能普遍存在于自然界的生物体中，但这些特征很少同时在人造材料中得以实现。
川大金勇教授课题组受到自然界生物皮肤的启发，利用少量的化学物质，便捷的制备了一种具有多重监测、抗菌、自愈合、防冻功能的机致变色/机电响应的光电双传感离子皮肤(DSI-skin) (如图1所示)。
图1.具有多重监测、抗菌、自愈合、防冻功能的机致变色/机电响应的光电双传感离子皮肤(DSI-skin)示意图。
图2.DSI-skin仿生离子皮肤的制备及表征过程。
图3.DSI-skin仿生离子皮肤的机致变色和机电响应双传感。
图4.DSI-skin仿生离子皮肤的用于人体运动和呼吸监测。
图5.DSI-skin仿生离子皮肤优异的抗菌能力。
图6.DSI-skin仿生离子皮肤优良的自愈合功能。
图7.DSI-skin仿生离子皮肤优异的抗冻能力。
总结
通过模拟生物皮肤，我们基于集成 H-HPC、Al3+离子和 PASCA 水凝胶的 MFIH，成功制造了具有智能传感和多种生物功能的高度协同的 DSI 皮肤。DSI-skin 的初始颜色 (426–641 nm) 可以通过首次将Al3+离子含量从 0% 更改为 4.0% 进行调整。由于 H-HPC 明亮的结构颜色和Al3+离子优异的离子电导率，DSI-skin 通过改变胆甾相螺距和离子电导率表现出光信号和电信号的双信号传感功能，同时实现应变的灵敏视觉和数字检测（应变系数：4.90；响应时间：363 ms；机械变色灵敏度：2.14 nm per %）、压力（灵敏度 3.14 kPa−1；响应时间：631 ms；机械变色灵敏度：8.02 nm kPa− 1) 和湿度（快速响应：0.5 秒；宽范围：30–90% RH）首次实时显示。这种 DSI 皮肤可用于准确记录人体运动和呼气。更重要的是，我们的 DSI-skin 同时具有出色的抗菌能力（对数减少 > 3.43）、出色的自愈行为（效率为 85.0%）和防冻（-15°C）功能，这是首次报道，协同利用Al3+离子和H-HPC；这大大扩展了柔性传感器的应用范围，延长了材料的使用寿命。有趣的是，DSI-skins 的构建并不局限于 Al3+ 离子，上述多种生物功能也可以使用 Zn2+离子来实现。这些集成的智能传感和多功能特性使 DSI-skins 在智能柔性材料、仿生传感器、人机界面等领域极具发展前景。
相关研究结果发表在国际著名期刊《Journalof Materials Chemistry A》(Journalof Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA06798B)上。四川大学轻工科学与工程学院博士研究生白龙为本文第一作者，其导师金勇教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06798B