【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在當(dāng)今科技蓬勃發(fā)展的時代，可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其中應(yīng)用于個人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測的柔性傳感器備受關(guān)注。近日，四川大學(xué)機械工程學(xué)院何亮團隊在這一領(lǐng)域取得研究進展，相關(guān)成果以“Synergistic enhancement of hole-bridge structure and molecular-crowding effect in multifunctional eutectic hydrogel strain/pressure sensor for personal rehabilitation training”為題在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表，第一作者為機械工程學(xué)院22級博士生王文武。
 

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步，柔性可穿戴電子產(chǎn)品在人體運動監(jiān)測、工業(yè)機器人、仿生設(shè)備、康復(fù)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域大顯身手。在運動醫(yī)學(xué)范疇，每年全球因運動導(dǎo)致的軟組織損傷，促使大量膝蓋或肘部相關(guān)手術(shù)開展，術(shù)后患者往往需要歷經(jīng)3-6個月的長期康復(fù)訓(xùn)練，這給患者帶來經(jīng)濟與心理的雙重負(fù)擔(dān)。因此，基于個性化醫(yī)療的居家個人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測成為緩解患者負(fù)擔(dān)、優(yōu)化醫(yī)療資源配置的關(guān)鍵策略。
 

　　導(dǎo)電水凝膠憑借良好的離子電導(dǎo)性、易于集成以及與生物組織的相似性，成為柔性傳感器的理想材料。要開發(fā)出兼具高導(dǎo)電性、高靈敏度、高可靠穩(wěn)定性，且具備抗菌性和生物相容性的水凝膠，并將其應(yīng)用于多功能、高性能的柔性可穿戴應(yīng)變/壓力傳感器，仍是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)導(dǎo)電水凝膠基柔性傳感器存在導(dǎo)電性和靈敏度欠佳的問題，難以捕捉人體細(xì)微動作，限制了其在個人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測中的應(yīng)用。同時，提高水凝膠的導(dǎo)電性和靈敏度面臨諸多難題，如導(dǎo)電納米填料的團聚問題，現(xiàn)有提高靈敏度的策略存在制作工藝復(fù)雜、成本高昂等弊端。此外，水凝膠在耐久性方面也存在不足，包括機械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，開發(fā)滿足要求的水凝膠傳感器迫在眉睫。
 

　　圖1.基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略應(yīng)用于高靈敏度共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器的示意圖，具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、增強的機械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性、近紅外誘導(dǎo)的光熱抗菌性和出色的傳感性能

 

　　為攻克上述難題，何亮團隊提出了一種基于孔橋結(jié)構(gòu)和分子擁擠效應(yīng)的協(xié)同策略，制備出PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器。該水凝膠以生物相容性好、成本低的聚乙烯醇(PVA)為聚合物網(wǎng)絡(luò)，摻雜自組裝的MXene基納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過冷凍-解凍循環(huán)和溶劑置換法引入分子擁擠劑(DES)。這種共晶水凝膠呈現(xiàn)出獨特的孔橋形態(tài)，M@C網(wǎng)絡(luò)在孔壁上作為導(dǎo)電橋，賦予水凝膠卓越的導(dǎo)電性和傳感性能。同時，DES作為分子擁擠劑，增強了水凝膠的機械穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性，有效抑制了冰晶形成和水分蒸發(fā)。
 

　　圖2.開發(fā)的PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復(fù)訓(xùn)練中的傳感應(yīng)用，當(dāng)安裝在人體不同關(guān)節(jié)時輸出信號

 

　　PPM@C-DES共晶水凝膠傳感器在個人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。將其固定在人體不同部位，可精準(zhǔn)監(jiān)測多種運動，如喉嚨處能感知聲帶振動，手指、頸部、手腕、肘部、膝蓋等部位的運動也能被準(zhǔn)確監(jiān)測，還可用于記錄康復(fù)訓(xùn)練過程中的心電圖(ECG)信號。基于其優(yōu)異的光熱性能，該傳感器能為手術(shù)后遺癥(如關(guān)節(jié)疼痛或關(guān)節(jié)炎)提供按需光熱治療。經(jīng)NIR誘導(dǎo)光熱治療后，能有效促進局部血液循環(huán)，減輕疼痛和關(guān)節(jié)僵硬，提升相關(guān)運動的傳感性能。
 

　　此項研究成功制備出多功能PPM@C-DES共晶水凝膠應(yīng)變/壓力傳感器，有效解決了導(dǎo)電聚合物水凝膠基多功能應(yīng)變/壓力傳感器開發(fā)中的關(guān)鍵難題。該傳感器卓越的綜合性能，為未來可穿戴智能設(shè)備集成無線傳輸模塊奠定了堅實基礎(chǔ)，在個人康復(fù)訓(xùn)練和醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。隨著技術(shù)的持續(xù)進步，有望進一步優(yōu)化傳感器性能，拓展其在更多醫(yī)療場景中的應(yīng)用，為人們的健康福祉貢獻更多力量。