基于MEMS技术的植入式柔性多触点平面电极阵列

为提高植入式电极阵列的分辨率,降低生物组织损伤,保证其在生物体内稳定工作,本文提出了一种基于聚对二甲苯(Parylene C)的柔性多触点平面电极阵列.该电极为Parylene C/Au/Parylene C 3层结构,共24个通道.电极采用标准MEMS工艺加工,触点分布精确,轮廓清晰,表面平整,粗糙度为23.8 nm.为评估电极的工作性能,采用磷酸缓冲液(PBS溶液)模拟生物组织液,对电极阵列进行了电化学阻抗测试及循环伏安测试.测试表明,电极在100 Hz与1 000 Hz的阻抗值约为400 kΩ与50 kΩ,满足记录电极对阻抗的要求,同时,不同通道之间具有良好的一致性.此外,对随机选取的一个通道进行的循环伏安法测试表明,电极在刺激模式下具有良好的可逆性,对组织无影响,该通道的电荷储存能力约为650μC/cm2,与文献报道电极相当.     

一体化可拉伸的多功能电化学传感纤维构建微量汗液健康监测织物（英文）

透气舒适的传感纺织品可以检测人体汗液中的多种生物标记物,是在日常生活中实现全面健康监测的有效途径.然而,目前的可穿戴柔性电化学纺织品缺乏伸展性,这可能会导致信号不稳定或在移动过程中损坏设备.此外,这些纺织品对多种指示器的集成度有限,需要较大的表面积和大量的汗液来激活传感器.在此,我们报告了一种一体化多功能电化学生物传感器纤维,该纤维具有可拉伸性,通过微量汗液即可检测汗液中的多种生物标志物.这种生物传感器是通过将多功能碳纳米管条带以螺旋状排列的方式负载在预先拉伸的聚合物纤维芯上从而充当微电极,并且两者之间具有稳定界面.此外,通过引入超亲水鞘层,提高了生物传感器的汗液捕获效率.该生物传感器能够同时监测pH、K⁺、Na⁺、葡萄糖、乳酸和尿酸六种生物标记物, 300%的应变下表现出稳定的传感性能.仅需1μL的汗液即可启动对六种生物标记物进行高效检测.由此编织的织物传感系统可以连续、实时地监测多种生物标记信息,从而完成人体健康状况的评估.     

壳聚糖基吸附材料去除水中有机染料的研究进展

壳聚糖是一种丰富的天然生物多糖，具有无毒、生物相容性好、生物可降解等众多优异性能。由于壳聚糖分子结构上的氨基、羟基等可作为吸附位点，因此它成为了吸附领域的研究热点。综述了近些年来壳聚糖基吸附材料的改性及其在染料吸附方面的研究进展，指出壳聚糖基吸附材料吸附有机染料的主要机理为：静电吸引、络合作用、氢键作用、π-π相互作用和物理吸附作用。基于目前的研究现状，指出壳聚糖基吸附材料在该领域研究中应着重考虑再生性、选择性和分离性。     

用于压/拉检测的机器人皮肤柔/弹性传感器阵列设计

基于炭黑/硅橡胶复合材料的压力以及拉伸敏感特性,设计了一种可用于检测机器人皮肤接触压力和拉伸特性的新型传感器阵列。该传感器阵列的弹性电极结构克服了传统传感器不可拉伸的缺点,实现了传感器阵列的柔/弹性;阵列中设计了9个检测压力的传感器单元和2个检测拉伸的传感器单元,通过传感器结构设计和拉/压干扰特性分析以及补偿算法解决了拉伸和压力同时测量时的干扰问题,并构建了求解压力与拉伸的数学模型。实验结果表明:该传感器阵列实现了对压力和拉伸的同步检测,可用于机器人柔性皮肤中关节等部位。     

银纳米线基柔性导电材料的研究进展

柔性导电材料是下一代柔性电子设备中不可缺少的组成部分,高性能柔性导电材料的研究和开发对于柔性电子设备的发展具有重要的意义,如:智能手机、电子皮肤、可折叠的电子书、应变传感器以及可拉伸太阳能电池。由铟锡氧化物(ITO)制备的传统的刚性导电材料已经不能满足新型的柔性设备的需求,几种材料被用来取代ITO,包括:石墨烯、碳纳米管、导电高分子以及金属纳米材料。在这几种取代ITO的材料中,银纳米线(Ag NWs)作为一种新型的纳米材料,不仅具备高的电导率,纳米材料的尺寸效应,同时又赋予了其优异的光学性能和柔韧性,使其在柔性导电材料的制备中具有非常广阔的应用前景。主要介绍了Ag NWs在柔性透明电极和可拉伸电极中的应用。首先介绍了Ag NWs柔性透明电极的制备方法和Ag NWs膜的后处理方法,阐述了每种方法的优势和劣势;将Ag NWs与可拉伸基体结合可获得Ag NWs基可拉伸电极,介绍了几种不同形式的Ag NWs基可拉伸电极包括:二维的、三维的以及纤维状的电极,以及不同形式电极对应的制备方法;除此以外,还介绍了通过将Ag NWs与第二导电组分的复合获得性能优异的柔性导电材料,最后对Ag NWs基柔性电极未来的发展进行了展望。     

分子间相互作用调控丝素蛋白/聚丙烯酰胺水凝胶的网络形貌和β片结晶，赋予水凝胶优异的黏附、应变和传感性能（英文）

丝素蛋白(SF)作为一种特殊的天然聚合物,具有优异的生物相容性、生物降解性和双亲性,是制备柔性传感器的良好候选者.然而,丝素蛋白的高结晶度和结晶不可控性使获得这种出色的仿生水凝胶传感器具有挑战性.纯SF水凝胶是脆性的,没有黏性.在此,我们通过引入聚丙烯酰胺(PAM)到SF水凝胶中来解决这一问题.由于SF/PAM水凝胶具有较强的分子间相互作用,其网络形貌由欧几里得孔改变为非欧几里得孔.同时,其β片结晶很容易被抑制到纳米尺度.这些演变不仅使SF/PAM水凝胶具有优异的机械性能,而且具有出色的黏附性能.与纯PAM水凝胶相比,SF8/PAM水凝胶的拉伸强度、拉伸破坏应变、抗压强度(80%应变下)和黏附性能(在猪皮上)分别提高了133.1%、120.9%、610.8%和104.8%.此外,SF的双亲性可以使碳纳米管(CNTs)在水凝胶中分散良好.制备的CNT0.3/SF8/PAM水凝胶继承并进一步改善了上述性能.除此之外,它还表现出优异的自黏附传感性能,最大灵敏度因子高达10.13,工作应变范围超过1000%,大应变下稳定循环拉伸达500次以上.同时,六种人类活动的精确检测也得到了验证.本工作为...     

植入式神经微电极

神经电极是实现人体和外部机器间信息融合的关键界面器件,是脑科学、生物电子医疗等前沿领域的技术核心。早期出现的神经电极以金属材料和半导体材料为主,这两类材料具备优越的导电性能,但其硬度远高于生物组织(相差四个数量级以上),生物兼容性差,易引起生物组织的排异反应,导致电极失效,并且在植入和使用过程中也容易对生物组织造成损害。近年来,人们尝试利用导电聚合物、水凝胶以及碳纳米管等柔性材料替代早期的金属、半导体等刚性材料,实现柔性生物电极的制备,以解决电极与生物组织间模量不匹配的问题。从而开发出低阻抗的电极-组织界面,最小化电极植入过程中对生物组织的创伤,保证植入电极长期稳定性的同时提高了其导电性,这对于精准的神经电刺激以及高质量记录神经电生理信号来说都至关重要。目前研究的神经电极多以柔性植入式为主,它将新兴材料、微加工技术与神经工程相融合,显示出优于其他神经电极的特性,在疼痛抑制、脑机接口、人体假肢等方面获得多项成果,在临床应用方面占有重要地位。本文归纳了植入式神经微电极的研究进展,主要从刚性神经微电极、神经电极柔性化、可拉伸柔性神经电极几个方面进行介绍。分析了刚性植入式神经电极存在的问题,并引出基于新型材料的柔性植入式神经电极,提出优化方案的同时对其前景进行展望,以期为制备性能优异且稳定的植入式神经电极提供参考。     

基于导电纤维的柔性电子器件研究进展

柔性电子器件具有优异的灵活性,实现了与服装的无缝集成,在各种实际的可穿戴应用中具有巨大的潜力。一维纤维状电子器件由于其优异的柔韧性、可编织性及舒适性成为智能可穿戴领域的研究热点。首先,综述了用于纤维状柔性电子器件的一维可拉伸电极的研究进展,然后详细介绍了高性能一维纤维状柔性电子器件制备过程中具有代表性的导电材料、制造技术及一维柔性纤维进一步应用于各类电子器件的主要制备方法,另外总结了近年来基于柔性纤维状电子器件在智能可穿戴领域的应用。最后对一维纤维基智能可穿戴电子器件的机遇和挑战进行了批判性思考。      

可穿戴柔性超级电容器用强韧、自修复、抗冻的三角色铁氰化钾氧化还原凝胶聚合物电解质（英文）

超级电容器的韧性、自修复和高比电容对于柔性和可穿戴电子设备具有重要的实用价值.为此,我们制备了一种新型的聚乙烯醇-海藻酸钠-铁氰化钾-硫酸钠多功能凝胶聚合物电解质.其中铁氰化钾起到了三角色作用,包括载流子供体、离子交联剂和氧化还原活性剂,有效地缓解了凝胶聚合物电解质通常存在的电导率与机械性能间的矛盾.此外,由于铁氰化钾的氧化还原反应提供了赝电容,组装的超级电容器具有很高的电极比电容和能量密度.该超级电容器还表现出优异的弯曲、拉伸、自修复和抗冻能力.因而,制备的凝胶聚合物电解质和超级电容器在复杂使用条件下的柔性和可穿戴电子设备中具有广阔的应用前景.     

复合材料π接头拉伸力学性能的试验和计算研究

采用试验和数值模拟的方法对整体化复合材料π接头在拉伸载荷作用下的力学特性进行研究.在Instron 8803电液伺服材料试验机上进行了π接头试验件的拉伸试验,记录试验过程中损伤产生及破坏过程,记录初始失效载荷和最终失效载荷.试验结果表明,填料是π接头破坏的关键部位,需要进行深入研究.提出了复合材料π接头力学性能数值模拟的基本假设和方法,基于通用有限元商用软件,建立π接头三维力学分析模型,获得π接头各部位应力分布情况;基于基本假设,对最大应力失效准则进行修正,并给出π接头各部位损伤载荷的预测值.计算预测π接头的初始损伤部位与试验吻合,初始失效载荷计算值与5个试件试验数据均值相比误差为0.53%,表明了数值分析方法的可行性.     

石墨烯功能化及在改性环氧树脂复合材料应用中的研究进展

石墨烯具有优异的机械性能及导热性能,将其与聚合物结合制成复合材料,是发挥石墨烯优异性能最可行的方法之一.然而,石墨烯在聚合物中分散时易团聚,石墨烯功能化是解决这一问题最常用的方法.基于以上背景,重点介绍了石墨烯与氧化石墨烯的功能化方法,包括共价功能化和非共价功能化.同时,阐述了功能化石墨烯在改性环氧树脂力学性能和导热性...     

液态金属基油墨的印刷适性调控与可拉伸电子应用

目的 调整液态金属基油墨的印刷适性，用于可拉伸电极的印刷法构建。方法 通过超声破碎法减小液态金属微粒直径，降低其表面张力;探究聚氨酯种类和含量对液态金属微粒的分散性、油墨流变性、电极的印刷适性和可拉伸性的影响。结果 引入PU1185制备的液态金属油墨，丝印电极分辨率达58 µm;印制电极展现了良好的导电性和可拉伸性，预拉伸稳定后的电极在100%的应变下拉伸1 000次，电阻变化不超2倍。结论 液态金属基油墨能够用于高分辨电路的加工，在可拉伸电子领域具有可预见的应用前景。     

高灵敏度,超宽响应范围,环境耐受性高的多模式离子凝胶基传感器（英文）

近年来,离子类皮肤传感器因其高性能和良好的兼容性等优点而备受关注.然而,开发一种多功能、稳定、高灵敏度和耐用的离子类皮肤传感器仍面临挑战.本文通过简单的紫外引发聚合制备了具有良好耐用性、环境(抗冻、耐真空)稳定性、离子导电性、自愈性、高粘附性和拉伸性的复合离子凝胶.该离子凝胶可以组装为应变、压力和温度传感器,用于检测外部环境的变化.无论是作为应变传感器还是压力传感器,离子凝胶基传感器都具有高灵敏度(GF=14.7)、宽响应范围(1%-1600%)、快速响应时同(95.8 ms)、优异的稳定性和可重复性(1000次).因此,它不仅可以追踪关节运动,还可以监测细微的表情变化(皱眉).该离子凝胶还可以组装成敲击传感器和高精度书写板传感器,用于信息传递.此外,该传感器对温度变化具有较高的灵敏度,温度感知范围在0-120℃之间,且检测阈值较低(0.1℃).因此,基于离子凝胶的传感器有望应用于多功能电子和传感设备.     

集成纳米碳管电极的电化学检测性能

电极的机械稳定性对电极电化学检测性能的长期稳定性非常重要.利用微波等离子体化学气相沉积法在玻璃基板上集成了纳米碳管电极,并利用该电极对溶液中的邻苯二酚进行了电化学检测.结果表明,经氧等离子体处理的纳米碳管电极具有良好的电化学检测性能,且由于该电极直接集成在玻璃基片上,良好的结构稳定性赋予该电极极为优异的重现性和长期稳定性.     

柔性生物电传感技术

生物电信号作为监测人体健康的关键特征信号具有重要意义,因此人们一直在不断地探索和改进生物电信号传感技术。随着可穿戴电子技术的不断发展,传统的生物电传感设备在生物相容性、可穿戴性、便携性、制作成本等方面的问题也越来越突出,已很难满足当前的应用需求。近年来,新型柔性生物电传感设备迅速发展,相比于传统的生物电传感设备,柔性传感设备具有可拉伸性好、便携性强、体积小、成本低、皮肤接触界面更加稳定等巨大优势,为生物电传感技术带来了革命性的变化。由于柔性材料大多是绝缘的且与金属的结合力较差,因此出现了亟待解决的新问题,例如柔性基底材料和导电材料的选型问题、电极的设计和加工问题等。另外,生物电监测易受噪声干扰,因此减小其运动伪影、延长有效监测时间、提高生物相容性、提高信号采集质量也是柔性生物电传感器件的主要研究热点。电极是柔性传感设备重要的组成单元,生物电检测电极的质量决定了生物电传感器的检测灵敏度、信号质量、使用寿命等。如今已经取得较好效果的柔性生物电检测电极主要有金属纳米线电极、柔性导电复合物电极等。其制备方法主要是:(1)在柔性材料中掺杂金、银、碳纳米管等导电材料来使其具有导电性能,再对结构和形状进行加工;(2)在柔性衬底上沉积或电镀导电材料,再对导电材料进行图案化加工等。制备工艺主要包含光刻、蒸镀、气相沉积、键合、喷涂、滴铸、旋涂、浸涂和真空过滤等。本文归纳了柔性生物电传感技术的研究进展,对柔性生物电传感器的组成单元和工作原理、柔性基底材料的选择、柔性生物电监测电极的制备方法进行了论述,并对柔性生物电传感技术在心电、脑电、肌电、眼电等监测方面的应用进行概述,分析了柔性生物电传感技术面临的问题并展望其前景,以期为柔性传感技术在生物电监测方面的进一步发展提供参考。     

原位添加静态发酵制备透明质酸-细菌纤维素生物面膜

细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是一种兼具生物相容性与生物可降解性的天然高分子材料,具备优异的理化性质:高持水性、高纤维素纯度以及良好的湿态柔韧性等。静态发酵阶段原位添加透明质酸(Hyaluronic acid,HA)制得HA-BC生物面膜,该面膜呈现"上致密、下疏松"的双层结构,较BC和无纺布面膜更贴合人体皮肤结构;其拉伸强度为(1.00±0.17)MPa,弹性模量为(4.90±0.86)MPa,在一定拉扯力下不易变形,能保有其孔洞结构,抗拉力较无纺布面膜好,保证了使用者体验度;实验所制面膜90°剥离强度为(0.76±0.14)N/m,远高于无纺布面膜,面膜手感更柔软,贴肤度更强;HA-BC生物面膜水蒸气透过率为(5640±78)g·m-2·(24h)-1,较未改性BC面膜减少约2842g·m-2·(24h)-1,较无纺布面膜减少约6468g·m-2·(24h)-1,锁水力更强。HA-BC生物面膜较BC、无纺布面膜性能更为优异。     

用于锂离子电池的富醚/酯/氟黏结剂配方（英文）OA

由于硅阳极体积膨胀过大,无法在高能量密度电池中实现实际应用。研究人员一直专注于在阳极中添加黏结剂以限制体积膨胀,来解决这一问题,因为黏结剂的氢键和机械性能可以用来增强黏附力和适应硅阳极的体积变化。在这里,我们综合考虑了黏结剂的氢键、力学性能、稳定性以及与电解液的相容性,设计了一种富醚/酯/氟的复合聚合物P(TFEMA-co-IBVE)。该黏结剂配方具有优异的稳定性、黏结性和机械强度,能够适应硅电极体积的剧烈变化,表现出优异的电化学性能,面积容量高达5.4 mA·h·cm^-2。这种新型聚合物设计可应用于下一代锂离子电池的其他电极材料。     

基于聚丙烯酰胺有机凝胶的柔性可变色应变传感器

柔性应变传感器在可穿戴医疗设备、电子皮肤等领域具有广泛的应用前景,然而传统柔性应变传感器只能输出电信号,缺乏对应力应变的直接可视化响应,限制了其在应力预警、健康监测等方面的应用。本文以柔性透明银纳米线(Silver nanowire,AgNW)/硅橡胶薄膜为电极,以浸渍有机电致变色染料和锂离子的聚丙烯酰胺有机凝胶(Polyacrylamide,PAAm)为变色单元,成功制备了一种具有三明治结构的柔性可变色应变传感器。研究结果表明,该PAAm传感器具有优异的拉伸和压缩回弹性及中等应变响应性能(响应灵敏度为0.7),此外它可在外力作用下产生颜色变化,实现对应变的可视化响应。该传感器在交互式可穿戴设备、电子皮肤、防伪、人工假肢和智能机器人等方面具有广阔的应用前景。     

超疏水表面材料的制备与应用

仿生超疏水表面材料具有特殊微纳米结构,因此表现出自清洁、防污染等一系列优异性能.在荷叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等自然界中超疏水性组织和器官的启发下,仿生超疏水表面材料的设计和研发的目标不仅在于模仿生物的功能结构,更主要的是制备组分和结构均可调的超疏水表面,从而获得既有疏水自清洁性,同时强度、耐热、耐酸碱等性能又十分优异的新材料.该类材料在国防、工业、农业、医学和日常生活中均有广阔的应用前景.从超疏水材料纳米界面的结构出发,分析材料的疏水原理及其制备方法,介绍了近几年来该材料的研究进展以及在管道无损运输、房屋建筑和防水等应用领域的探索,展望了其未来的应用方向和前景.     

凝胶聚合物电解质用于锂离子电池的研究进展

电解质在电化学储能中起着至关重要的作用。在锂离子电池(LIB)中,液体电解质(LE)在几十年的发展中表现出了优异的性能,如高的离子电导率(10^-3S/cm)和与电极良好的接触。然而,LE中的安全问题以及由枝晶生长引起的性能退化严重阻碍了LIB的实际应用。因此,聚合物电解质(PE)有望取代LE。固体聚合物电解质(SPE)虽然有很好的安全性和机械性能,但其受温度限制,离子电导率较低,且与电极接触较差,电池循环性较差。凝胶聚合物电解质(GPE)结合两者的优点,被认为是现有有机液体电解质的有效替代品,它可以用来制造更安全的锂电池。对现有聚合物基体的交联、共聚和混合改性——能够提高电解质的电化学性能的方法进行了综述。同时也对GPE在LIB中的最新研究进展进行了综述,并介绍了新型生物基凝胶电解质基体。最后,展望了制造性能优异的基于GPEs的LIB电池面临的挑战和发展方向。