MXene/蛋白質納米復合材料基壓力感測器的研究
具有優異感測性能的柔性、透氣、可降解的壓力感測器在可穿戴器件、健康監測以及人工智能等領域持續吸引著巨大的關注。這類壓力感測器不僅輕質靈活，還有利于減少電子垃圾、可對環境保護產生積極影響。然而，傳統的塑料或者彈性體襯底卻在滲透性、舒適度、力學匹配度以及降解性等方面對此類器件產生了負面的影響，嚴重限制了其進一步發展應用。因此，制造具有高柔性、輕易可降解性以及可透氣的壓力感測器是具有高度需求且依然極具挑戰性的科研方向。
北京化工大學張立群和萬鵬博等人發表文章報道了一種可穿戴、透氣、可降解以及高度靈敏的MXene/蛋白質納米復合材料基壓力感測器。這一感測器展現出了非常優異的器件性能，其感測范圍可達39.3 kPa，靈敏度在1.4?15.7 kPa范圍內可達298.4 kPa?1、在15.7?39.3 kPa范圍內可達171.9 kPa?1，響應/恢復時間可分別快至7毫秒和16毫秒，在超過10000次循環后還具有非常好的循環穩定性，在透氣、生物相容性和可降解性等方面也具有優異的表現。相關工作以“Breathable Ti3C2Tx MXene/Protein Nanocomposites for Ultrasensitive Medical Pressure Sensor with Degradability in Solvents”為題發表在ACS Nano。
一、MXene/蛋白質納米復合材料基壓力感測器的制備
如圖1所示，這一壓力感測器由兩部分組裝而成，一部分是MXene-絲纖蛋白（MXene-SF）薄膜（作為感測層），另一部分是MXene墨水-SF（MXene ink-SF）梳妝電極（作為電極層）。對于MXene-SF薄膜來說，研究人員首先對蠶繭進行脫膠、透析等處理得到再生絲膜，再采用靜電紡絲的方法制備了具有多孔結構和高度柔性的SF納米纖維薄膜。利用蘸滴涂覆（dip-coating）方法，研究人員再將少層導電Ti3C2Tx MXene納米片均一沉積到SF薄膜上，形成MXene-SF薄膜。而電極的部分則是通過在SF納米纖維薄膜上對MXene墨水進行絲網印刷而成。這兩部分再經過面對面組裝最終獲得了MXene/蛋白質納米復合材料基壓力感測器。
圖1 MXene/蛋白質納米復合材料基壓力感測器的制備示意圖
二、感測性能檢驗
這一壓力感測器是一種壓阻式傳感器，其薄膜和電極之間的接觸電阻可響應外部壓力進行變化。施加的壓力可以在薄膜和電極之間產生微小的壓縮變形，導致兩者之間出現更多的接觸面積和導電通路，從而增加感應電流，實現壓力感測性能。研究人員利用電化學傳感分析儀等裝置對該壓力感測器的感測性能進行了分析和檢測（圖2）。研究發現，由于MXene-SF薄膜上存在許多空穴和縫隙，使得納米纖維之間的接觸性變差，因此當無外部壓力時，薄膜展現出了巨大的原始電阻；而當外部開始施加微小的壓力（89?1071 Pa）時，導電的SF納米纖維開始相互接觸并連通了電極上的部分接觸點，從而導致器件導電性少量增加和低靈敏度；而當繼續增加外部壓力（1428?15 714 Pa）后，多層的SF納米纖維會被緊緊壓在以期并且在薄膜和電極之間創造更多的接觸點，從而導致導電性和靈敏度快速增加；而當壓力顯著增加到15.7-39.3 kPa時，由于納米纖維之間的相互接觸改善有限，因此靈敏度的增加也比較緩慢。此外，由于感測器的組分彈性比較好，因此感測器的響應和恢復時間比較快，可分別達到7毫秒和16毫秒的水平。
圖2壓力感測器的感測性能
三、監測人體活動
憑借優異的穩定性和感測性能，研究人員隨后將該感測器應用到檢測人體的生理信號和運動信號方面。在圖3a中，當感測器裝備到手指上時，其可以通過電流變化遠程監測手指的彎曲程度。不僅如此，隨著手指彎曲按壓，感測器還能檢測壓力的產生（圖3b）。同理，感測器也能檢測肘部彎曲或者膝蓋彎曲的物理信號，對于監測運動損傷復原情況意義重大（圖3c）。此外，將感測器貼附到手腕上還能實時檢測由脈搏跳動產生的力，從而監測心率和動脈情況（圖3d）。更有趣的是，這一感測器還能辨別喉嚨的發音運動。當喉嚨發聲時，感測器能夠準確記錄不同的詞匯所產生不同的振動力，從而分辨發聲（圖3e、3f）。
圖3 壓力感測器在監測人體活動方面的應用
最后，為了評估該感測器的可降解性能，研究人員將器件放置在0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中。研究表明，器件在9天內可以發生自催化水解和塊體降解行為，重量損失可達到50%左右。直至28天，感測器則完全降解消失。其中，MXene-SF薄膜在堿性溶液中浸泡15天左右就發生顯著分解，這些數據均表明MXene/蛋白質基感測器是可降解的，具有環境友好的特點。
結論
該研究設計制備了一種透氣、可降解、靈敏的全纖維結構MXene/蛋白質納米復合基壓阻式感測器。這一柔性感測器具有高比表面積、可調的靈敏度以及可調整的接觸面積，因此在靈敏度、感測范圍、響應/恢復時間、循環穩定性等方面展現出了巨大的優勢。這一感測器可進一步集成形成電子皮膚，對壓力分布進行定量分析。研究認為，本文提出的器件制造方法和思路能夠有力促進柔性醫學感測器的發展和應用。
