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人工皮膚---絲素蛋白基柔性顯示器 已有1人參與
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隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代的到來，柔性可穿戴設(shè)備的研究越來越受到研究者們的青睞，特別是在植入式、表皮人體健康監(jiān)測和數(shù)字化診療方面。同時，柔性基板的選擇也成為研究的熱點。根據(jù)報道，天然絲素蛋白適用于與皮膚直接接觸的電子設(shè)備，且長時間接觸后不會引起皮膚炎癥。此外，絲素蛋白可以在特定溶液中完全降解，從而實現(xiàn)回收利用和環(huán)境友好，在傳感器、柔性顯示器、柔性供能等許多醫(yī)療領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。 廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院郭文熹/劉向陽團隊報道了一種使用天然絲素蛋白進行摻雜和改性的柔性透明導(dǎo)電電極。利用聚氨酯（PU）和異丙醇（IPA）的添加改善復(fù)合絲膜（SF）的均勻性和力學(xué)性能。復(fù)合SF作為基底材料結(jié)合銀納米線（AgNWs）導(dǎo)電層技術(shù)，制造出基于絲素蛋白的功能化顯示器，在保持生物相容性和生物降解性的前提下，克服了脆性高、耐水耐溫差、化學(xué)穩(wěn)定性差等缺陷。這種采用生物絲素蛋白材料的柔性顯示革命性技術(shù)可以應(yīng)用于人體電子皮膚顯示領(lǐng)域，在大數(shù)據(jù)信息時代，這有助于我們掌握更多的數(shù)據(jù)信息，是人體顯示技術(shù)上取得的一個突破性進展。該研究成果以“Flexible, biocompatible, degradable silk fibroin based display”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal（IF=15.1）上。 研究內(nèi)容 絲素蛋白經(jīng)過剪切繭、除去雜質(zhì)、溶解、透析和摻雜等工序，得到再生的復(fù)合SF薄膜。絲素蛋白最重要的兩種的二級結(jié)構(gòu)是α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)，其中β-折疊已被證明比α-螺旋具有更高的穩(wěn)定性。使用PU和IPA溶液作為摻雜劑，這兩者均有含羥基結(jié)構(gòu)，羥基進入絲素蛋白溶液后，可破壞α-螺旋的分子內(nèi)氫鍵，重新形成β-折疊的分子間氫鍵，進而使絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)中的部分α-螺旋轉(zhuǎn)化為β-折疊，從而能夠增強絲膜的機械和化學(xué)穩(wěn)定性。在成膜過程中，還可以調(diào)整薄膜基材的粗糙度和霧化，以適應(yīng)顯示器的應(yīng)用。 為了進一步研究摻雜和改性對絲素蛋白性能的影響，對復(fù)合SF薄膜進行定性分析。SF-PU（2.9%）-IPA薄膜的XRD圖譜與絲素蛋白β晶的標準衍射峰（2-theta = 19.5°）一致。360°圓形掃描測試顯示復(fù)合SF具有高度的各向異性均勻性，可以更好地應(yīng)用于大面積的電子設(shè)備的基板上。復(fù)合SF的紅外光譜顯示PU摻雜后誘導(dǎo)β-折疊結(jié)晶。同時，IPA的加入提高了化合物SF的分散均勻性。雖然PU作為一種具有優(yōu)異的力學(xué)性能的柔性高分子材料，但它透氣性和生物相容性差，并不是長期涂抹在皮膚上的合適選擇，因此，研究團隊在保證復(fù)合膜力學(xué)性能的同時找到PU的最小摻雜量為2.9%。 SF-PU（2.9%）-IPA薄膜在整個可見光波長上的透射率約為90%，使其可以應(yīng)用于柔性顯示基板。插圖顯示我們可以清楚地看到SF背面的電腦顯示器中的風(fēng)景。除了透光率外，復(fù)合SF還表現(xiàn)出高透氣性，使其比PET和其他高分子材料更安全、更舒適，減少了長期附著在皮膚上的皮膚過敏反應(yīng)。此外，優(yōu)異的耐高溫、耐濕、耐酸堿性能，使復(fù)合SF即使在極端情況下也能獲得更多的應(yīng)用場景。此外，SF-PU還具有較高的表面平整度，利于電極與器件其他結(jié)構(gòu)之間的更緊密貼合，并使器件具有更好的顯示均勻性和響應(yīng)速度。動態(tài)接觸角測試采用去離子水作為測試液體，SF-PU（2.9%）-IPA薄膜平均接觸角為71.95°。 下圖顯示了SF基電極的透射率（T）與薄層電阻（Rs）之間的關(guān)系。當透光率增加時，電阻增加，電導(dǎo)率降低。當T=89% 時，對應(yīng)的Rs=51 Ω/sq。從SEM圖像可看出AgNWs均勻分散在復(fù)合SF表面，無明顯斷裂或團聚。研究者還對復(fù)合SF電極的抗彎曲性能進行了探究。Rs彎曲試驗后的變化分為三個階段。第一階段，Rs隨彎曲次數(shù)的增加而緩慢變化，彎曲100次后小于1.7%；第二階段，Rs由于一些AgNWs疲勞損傷，隨著彎曲次數(shù)的增加而迅速變化，并且Rs彎曲300次后增加15.6%；第三階段，由于彎曲活動對AgNWs的影響趨于穩(wěn)定，Rs再次緩慢上升，1000次后Rs增長19.9%。 此外，還探究了SF基電極在高溫、高濕和水中Rs的增加。 蛋白質(zhì)電子墨水顯示器的制備及工作原理示意圖如圖所示，其中復(fù)合SF電極為透明導(dǎo)電電極，電子墨水膠囊為顯示材料，與對電極結(jié)合形成柔性夾層結(jié)構(gòu)顯示器件。當設(shè)備斷電時，黑白膠囊以混沌的灰色狀態(tài)排列。相反，當通電時，這些膠囊會離開并分別呈現(xiàn)白色狀態(tài)和黑色狀態(tài)。因此，通過引入交流電壓很容易實現(xiàn)不同狀態(tài)下的開關(guān)。研究團隊進行了蛋白質(zhì)電子墨水顯示器在不同驅(qū)動電壓下的對比測試，隨著工作電壓的增加，白態(tài)和黑態(tài)的對比度不斷增大，在工作電壓超過25 V后趨于穩(wěn)定。 此外，還制備了大型柔性蛋白質(zhì)電子墨水顯示器（22.5cm×19.0cm），通過將其應(yīng)用于可穿戴手環(huán)來演示一個真實的可穿戴顯示器示例。電子墨膠囊技術(shù)在防藍光、防閃光和能耗方面具有極大的優(yōu)勢。該復(fù)合SF電極還可以在六甲基四胺溶液中實現(xiàn)40 min內(nèi)完全降解。憑借其高降解性，基于生物降解電極的顯示器件可用于各種軍事場景，例如自毀監(jiān)視器。 基于SF電極的蛋白質(zhì)電子墨水器件在反復(fù)彎曲的過程中，器件的閾值電壓沒有觀察到明顯的變化。除了高抗彎曲性外，蛋白質(zhì)電子墨水顯示設(shè)備還表現(xiàn)出非常特殊的防水性能。顯示該蛋白電子墨水顯示器的閾值電壓和水中的白黑對比度沒有明顯影響。用作柔性顯示器的白色和黑色狀態(tài)下的蛋白質(zhì)電子墨水顯示器的照片如圖所示，該技術(shù)可以應(yīng)用于身體大部分部位的皮膚，為智能電子皮膚和智能電子服裝的到來提供了新技術(shù)。 總結(jié)與展望 在這項工作中，設(shè)計了一種基于復(fù)合SF電極的蛋白質(zhì)電子墨水顯示器。該材料除了表現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度、柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性外，還保留了生物相容性、降解性、以及天然絲素蛋白的環(huán)保性�；谠搹�(fù)合SF制備的蛋白電子墨水顯示器件具有優(yōu)異的黑白態(tài)對比度、響應(yīng)時間快、優(yōu)異的抗彎和防水等性能，也適合在皮膚上長期使用。柔性蛋白的展示意義在于其出色的人體佩戴舒適性和與人體多個部位的保形貼合，使人與信息的交互方式變得更加多樣化。 原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142477 |
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