西安交大利用工程化水凝胶研发可穿戴医疗传感设备

柔性可穿戴电子器件能直接贴在皮肤表面，实现人体生理信息的原位、实时及连续监测，在个性化医疗领域具有极其可观的应用前景。然而，现有的柔性可穿戴传感器多基于石墨烯、Ecoflex、织物等材料，因存在器件-皮肤界面机械强度失配、穿戴不适、生物相容性不足等问题，难以实现广泛应用。水凝胶是一种高含水量的三维网状聚合物，具有优异的生物相容性和接近人体皮肤的弹性模量，成为发展下一代柔性可穿戴传感器的理想选择。然而，发展水凝胶柔性传感器仍面临以下挑战：1、水凝胶容易失水，进而引起机械、电学等性能发生改变，导致器件性能不稳定;2、高含水量增加水凝胶与其它基底或电极材料之间的键合难度。解决水凝胶的水分蒸发和弱界面粘接问题，提升耐用性和长期稳定性，以及开发低成本、大面积水凝胶柔性器件制备技术是实现其工程化应用的关键。

为此，西安交通大学蒋庄德院士、赵立波教授团队和加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授课题组首次探索了明胶-甲基丙烯酸酯水凝胶(Gelatin methacryloyl，GelMA)用于发展柔性触觉器件的可行性，研发了一种基于GelMA的高灵敏度、透明、皮肤适形、可完全溶液加工的柔性可穿戴触觉传感器，有效克服上述难题，并实现了在人身体上的可穿戴医疗应用。该GelMA柔性传感器可经受住3500多次循环压力作用，在72小时内能保持测量性能稳定，并可实现低成本、大面积制备，为实现水凝胶柔性传感器的工程化应用带来了新希望。

(a)GelMA水凝胶柔性触觉传感器的结构设计示意图(b)完全基于溶液加工的制备技术

(c)GelMA水凝胶柔性触觉传感器照片(d)GelMA水凝胶触觉传感器的循环试验结果

该水凝胶柔性触觉传感器采用电容检测原理，利用GelMA为介电弹性体，通过压力感知来实现人体生理信号检测。研究人员提出了一种可完全溶液加工的电容压力传感结构，将GelMA作为核心介电弹性体，通过在其两侧设置一层辅助键合层(如PDMS层)来控制水分蒸发。通过将辅助键合层表面化学处理，并采用紫外光照射的方法来实现其与GelMA之间的化学键合，以增强器件结构坚固性、耐用性。采用旋涂、紫外光照、表面化学处理等工艺，开发了一种完全溶液加工的低成本、大面积制备技术。该结构设计策略及制备技术具有普适性，可用于发展其它水凝胶柔性触觉传感器。此外，由于GelMA介电弹性体、PEDOT:PSS电极、辅助键合和基底层均为透明材料，整个器件具有很好的透光性，对发展隐形可穿戴电子有重要意义。

该研究成果以“Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables”为题近日在国际知名期刊 Advanced Functional Materials (IF=16.836)上在线发表，并被选为封面文章。西安交通大学机械学院李支康副教授为论文第一作者，西安交通大学机械学院赵立波教授、香港大学张世明助理教授以及加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授为共同通讯作者。此外，西安交通大学机械学院副教授罗国希、生命学院助理教授刘灏、前沿院博士生薛语萌共同参与了此项工作。

该研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后国际交流计划派出项目等项目的资助。