2021-10-19
 
宁波材料所朱锦/张若愚等《AFM》:受通道蛋白启发!可自修复的聚氨酯离子皮肤
2021年10月19日   阅读量:707

随着软体机器人、人机交互和可穿戴电子设备等的快速发展,与真实皮肤模量接近且具有传感功能的仿生电子皮肤也引起了广泛关注。但电子设备通常基于电子导电,而生物系统以离子导电为主,两者之间的信息无法共享。因此,近几年,基于离子导电的离子皮肤随之兴起中国橡胶网zimite.com。然而,开发稳定耐用、灵敏度高的离子皮肤依然存在巨大的挑战。

近期,宁波材料所朱锦、张若愚团队开创性地合成了一种新型的铵基阳离子扩链剂,并通过与4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)、聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚)聚合,得到了具有自修复功能的离子型聚氨酯(i-PU)。进一步,受阳离子通道蛋白(Piezo 2)的启发,他们利用目标i-PU与离子液体(ILs, [EMIM]+[TFSI]–)优异的相容性,制备了PU/IL介电层,并将其用于离子皮肤(I-Skin)的构建。该离子皮肤具有压力范围宽(0-120 kPa),响应速度快(32 ms),抗疲劳性优异(1000次循环仅衰减2%),灵敏度高(52.4 kPa-1)等优势。该研究以题为“A Self-Healing and Ionic Liquid Affiliative Polyurethane toward a Piezo 2 Protein Inspired Ionic Skin”的论文发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。


【源于通道蛋白Piezo 2的设计】

在这项研究工作中,该人工离子皮肤的工作机制与人体Merkel细胞中通道蛋白(Piezo 2)受外界压力,离子平衡被破坏的响应机制极其相似(如图1所示)。在刺激前,Piezo 2的通道是关闭的,细胞膜内外的电位保持平衡;当施加机械刺激时,细胞膜产生张力使通道打开,细胞外阳离子被挤入细胞内,离子平衡被打破,产生电化学信号,该信号通过神经元传递到大脑,人体感觉到触觉。与此类似,在静态状态下,i-PU链上的阳离子与IL通过静电相互作用结合,当施加外界压力时,与分子主链结合较弱的阳离子被挤出,材料表面离子浓度发生变化,从而将机械信号转换为电化学信号。

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图1. 类比Merkel细胞中通道蛋白Piezo 2和用于人工离子皮肤的PU-3/IL复合物在外界压力作用下离子平衡破坏的示意图。

【人工离子皮肤的构筑】

在合成铵基阳离子扩链剂的基础上,作者考虑到软段和硬段的比例对力学性能的影响,以及IL的泄露问题(需要增强PU链与离子液体之间的静电相互作用来解决),最终选择力学性能优异且离子迁移性好的PU-3/IL-30%来构筑人工离子皮肤。其中,通过接触角、密度泛函理论(DFT)、拉曼等表征手段进行了i-PU与IL之间的静电相互作用。


【人工离子皮肤的性能】

鉴于i-PU链与离子之间的静电相互作用和相互扩散,该人工离子皮肤具有优异的自修复性能(如图3)。一方面,温度越高,自修复速率越快;另一方面,硬段所占比例越少,自修复速率越快。其中,PU-3可在室温下400 min内实现完全自愈合。除此之外,通过齿形微结构的构筑,该离子皮肤还具有宽的压力响应范围以及极高的灵敏度(如图4),可用于人体脉搏、运动等不同应变的检测。


总结:作者合成了一种新型的铵基阳离子扩链剂,并以此为基础制备了一系列的离子型聚氨酯(i-PU)。受到阳离子通道蛋白(Piezo 2)离子传输机制的启发,通过结合离子液体(IL),该材料可以用于自修复、高灵敏度仿生离子皮肤的构建。


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