Sci. Adv.:用于可穿戴設備的具有汗液增強導電性的可印刷彈性電極

【引言】

在過去十年中，功能性材料，機械和設備方面的創新發展促進了包括傳感、信號傳輸和電源在內的可穿戴式設備的快速發展。同時，可穿戴電極與身體運動、體溫或生物流體之間的相互作用可用于實現實時生理信號傳感、人機交互、藥物輸送或生物能量收集。可穿戴設備與人體的材料設計和交互機制對于特定應用的成功實現至關重要，這將為可穿戴設備的設計開辟一個前所未有的時代。然而，大多數研究都集中在功能電極的通用設計上，很少研究生物流體對導電線的影響。眾所周知，人體汗液是生物流體之一，已應用于制造無創生物傳感器用于連續監測生理信息。此外，與生物相兼容和安全的可穿戴生物燃料電池、超級電容器和電池（均以汗液作為電解質）被用作可穿戴傳感器的電源。汗液中含有乳酸、葡萄糖和離子（如Na⁺和Cl^-) 使可穿戴生物燃料電池、超級電容器和電池能夠像常規電池一樣正常運行。到目前為止，還沒有相關報道表明與汗液生物流體的相互作用，對可拉伸電極有潛在的積極影響。

近日，新加坡南洋理工大學Pooi See Lee教授（通訊作者）合成了熱塑性和親水性的聚(氨基甲酸酯-丙烯酸酯)（HPUA）粘合劑，用于一種可印刷和可拉伸的銀片-HPUA（Ag-HPUA）電極，其中人體的出汗可增強Ag-HPUA電極的導電性。在人體汗液存在下，Cl^-和乳酸的協同作用可以部分去除銀片上的絕緣表面活性劑，并促進暴露的銀片燒結，因此Ag-HPUA電極在松弛和拉伸狀態下的電阻都可以顯著降低。體表數據顯示，當受試者手臂上出汗后，Ag-HPUA電極的電阻可從3.02降至0.62Ω，突出了出汗對電極線的積極作用。使用Ag-HPUA電極作為集流體，人體汗液作為電解質，為可穿戴電子設備構建了一種可拉伸的可穿戴電源。可穿戴布線電極與汗液反應而增強的導電性將為可穿戴設備的設計提供有價值的見解。相關研究成果以“Printable elastomeric electrodes with sweat-enhanced?conductivity for wearables”為題發表在Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖一、汗液電導率及Ag-HPUA電極的制備

（A）人體汗液的導電性增強，以及拉伸前后與汗液接觸時印刷的Ag-HPUA電極的表面變化示意圖；

（B）Ag-HPUA墨水的組成和照片圖像；

（C，D）汗液浸泡前后Ag-HPUA電極的SEM圖像；

（E，F）分別通過絲網印刷和直接書寫的方式在紡織品上制造Ag-HPUA電極的示意圖；

（G，H）紡織品上的絲網印刷和直接書寫圖案。

圖二、親水HPUA彈性體設計和表征

（A）多功能親水HPUA彈性體的化學結構；

（B）在N₂大氣下，加熱速率為3°C/min，頻率為1Hz，測量HPUA-1、HPUA-2和HPUA-3的儲存模量（E）和損耗因子（tanδ）與溫度的關系；

的溫度依賴性

（C）具有不同重量百分比HEMA的HPUA的紫外-可見光譜；

（D，E）分別比較了HPUA和SEBS玻璃基板上人造汗滴的圖像和動態接觸角;

（F）可拉伸的HPUA薄膜的數碼照片；

（G）可逆共價鍵構建的混合動態HPUA網絡的示意圖；

（H）不同摩爾比HEMA制備的HPUA彈性體薄膜的拉伸應力-應變曲線；

（I）HPUA無缺口和缺口薄膜的拉伸應力-應變曲線；

（J）在100%到600%的不同應變下親水性HPUA的拉伸加載-卸載曲線；

（K）在環境條件下，原始HPUA和HPUA在人造汗液中浸泡1至3天的拉伸應力-應變曲線。

圖三、Ag-HPUA電極汗液增強電導率的表征和機制（A）紡織品和Ag-HPUA電極之間的界面以及活性離子和Ag-HPUA電極之間的紡織品增強接觸面積的方案；

（B）Ag-HPUA和Ag-SEBS電極的人工汗液接觸角；

（C，D）分別用NaCl/KCl/尿素、NaCl/KCl/乳酸、乳酸和人工汗液浸泡后Ag-HPUA電極的阻抗變化；

（D）用原始人工汗液浸泡并隨后用去離子水洗滌后，Ag-HPUA電極在紡織品上的阻抗；

（E）Ag-HPUA電極在不同pH值的人造汗液中浸泡后的阻抗變化；

（F）Ag-HPUA電極用不同濃度Cl^-的汗液 (pH=4) 浸泡后的阻抗變化；

（G）在接觸人造汗液（pH=5.5）后，印在裸露（黑色圖）和0.4%乳酸浸泡（紅色圖）紡織品上的Ag-HPUA電極的阻抗變化；

（H）通過以2分鐘的間隔噴灑和浸泡施加汗液（pH=4）后，Ag-HPUA電極阻抗變化的對比；

（I，J）Ag-HPUA在與人造汗液接觸30分鐘前后的高倍放大SEM圖像；

（K，L）Ag-HPUA電極在與人工汗液反應前后的原子力顯微鏡圖像。

圖四、汗液對拉伸后的Ag-HPUA電極的影響

（A）紡織品上人工汗液浸泡的Ag-HPUA電極在50%拉伸下的SEM圖像；

（B）Ag-HPUA紡織電極的阻抗與應變圖；

（C）拉伸后的Ag-HPUA電極在浸泡原始人造汗液前后的低倍率和高倍率SEM圖像；

（D）Ag-HPUA紡織電極在30%循環拉伸下，人造汗液（pH=4）和原始人造汗液的阻抗變化；

（E）在人工汗液 (pH=4)存在下，Ag-HPUA紡織電極在500次30%拉伸循環期間的阻抗變化；

（F）一個Ag-HPUA紡織電極經歷30%拉伸，隨后人工汗液 (pH=4) 噴灑的前10個循環的阻抗變化；

（G，H）將印刷的Ag-HPUA電極固定在一個受試者的前臂上以進行實時測試的照片圖像。

（I）受試者整個平穩循環運動中一個Ag-HPUA電極的阻抗變化。

圖五、Ag-HPUA電極作為集流體的可拉伸汗液激活電池的演示（A，B）印刷汗液活化Zn-Ag₂O電池在紡織品上的示意圖和反應機理；

（C）四個串聯連接的印刷Zn-Ag₂O電池的照片圖像；

（D，E）極化曲線和在人工汗液（pH=4）存在下汗液激活電池的功率密度（PD）曲線圖；

（F）電流密度為0.2 mA/cm²時印刷Zn-Ag₂O電池的長時間放電曲線；

（G）使用Ag-HPUA作為導體的兩個印刷Zn-Ag₂O電池在25%和50%拉伸下的放電曲線；

（H）受試者手臂上印刷電池帶的照片圖像；

（I）受試者靜止循環運動期間印刷電池的實時電流密度與時間關系；

（J）由四個串聯連接的Zn-Ag₂O供電的可穿戴溫度傳感器的實時溫度曲線；

（K）在為可穿戴溫度傳感器供電期間，由四個Zn-Ag₂O電池充電的超級電容器的電壓變化。

【小結】

綜上所述，本文設計了可印刷、可光固化和基于紡織品的Ag-HPUA電極，其電阻可以通過人體汗液在原始和拉伸狀態下降低。電極由具有親水性、光固化性和高拉伸性的銀片和HPUA粘合劑組成。在精心設計的HPUA粘合劑中，由氨基甲酸酯基團 (-NH-C=O-O-) 組成的硬鏈段和由脂肪族聚醚 (-O-) 或聚酯 (-CO-O-) 主鏈組成的軟鏈段兩端都有丙烯酸酯（C=C）的功能。當Ag-HPUA遇到汗液，乳酸和Cl^-協同工作，通過去除潤滑劑和燒結暴露的Ag薄片來快速和永久地提高電導率。同時深入探討了Ag-HPUA電極與汗液反應的影響因素和機理。汗液還可以顯著提高電極對拉伸變形的耐用性。本文的方法使用對人體皮膚無害的汗液作為電解質，降低印刷可拉伸電極的阻抗，為印刷可拉伸裝置的設計提供了一條新的途徑。

文獻鏈接：“Printable elastomeric electrodes with sweat-enhanced?conductivity for wearables”(Sci. Adv.，2021，10.1126/sciadv.abg8433)

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