模拟人体离子传输机制 仿生皮肤可进行自我愈合

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一段软质材料被刀割破，室温条件下放置一小时后，经测试，其力学性能可恢复至原始状态的91%……近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队与韩国汉阳大学以及韩国忠南大学的科研团队共同合作，开发出一种“超灵敏且可自我修复的离子皮肤”。相关论文在线发表于《自然·通讯》上。
“这项研究成果模拟了类似生物触觉细胞的离子信号传输系统，根据力的变化控制离子导体内部的离子分布，最大限度地提高触觉感知。”论文通讯作者、中科院宁波材料所应邬彬副研究员介绍，非常有意义的是，它提出了一种同时恢复伤口和触觉功能的离子皮肤技术的新概念，可用于人类义肢皮肤或者机器人皮肤，尤其是应用于可穿戴医疗领域中的人机接口。
受人类皮肤感知结构的启发，国内外科学家此前曾开发出若干种具有离子传输机制的离子皮肤，并应用于遥控器、传感器等机械设备。相关材料虽然具有高抗干扰性、出色的空间分辨率以及对静态和动态刺激的响应能力，但容易受到持续磨损，引起意外机械损伤，导致功能中断或设备寿命减少。
是否可以参照人类皮肤，赋予离子皮肤自我修复能力，从而确保相应设备的稳定性和使用寿命？
应邬彬介绍，电子皮肤2021年的市场规模为63亿美元，市场预计年复合增长率为21.1%。离子皮肤是电子皮肤的下一代产品，目前还处于研发阶段。
此次研究中，联合团队根据触觉细胞的机械刺激响应原理，模拟真实人体皮肤的自愈功能和生物离子信号传递机制，设计合成了一种含有动态二硫键功能基团和氯取代基的新型热塑性聚氨酯材料。
在此基础上，他们以离子液体作为信号传输介质，填充入这一热塑性聚氨酯材料后，开发出了新型的离子导体，并以银纳米线为柔性电极，聚氨酯为封装材料，组装成目标离子皮肤。
“动态二硫键具有键交换作用，哪怕在室温下也可以进行。材料出现破损时，键交换作用会拉近分子链的距离并让其重新堆叠在一起，宏观上也就表现出自愈合的现象，灵敏的触觉功能也可以随着伤口愈合而恢复。”应邬彬介绍，通过机械刺激改变氯取代基与离子液体之间可逆的离子偶极相互作用，能够有效提高即时电容和初始电容的差值，从而提高灵敏度。
“这项工作是之前‘仿真肌肉’工作的进阶，更接近人体的感受机制，离柔性的人机接口更近了一步。”应邬彬介绍。
此前，中科院宁波材料所生物基高分子材料团队曾开发过一种新型聚氨酯（DA-PU）材料，即“仿真肌肉”，适合用作可拉伸电子产品的弹性基体，可确保电子器件在复杂环境下仍能稳定工作。不过，“仿真肌肉”没有用到离子传输机制，而是用到电子传输机制。电子和人体的离子不匹配，在人体的应用上有局限。