详情

　　仿生离子皮肤在可穿戴电子设备、智能医疗和人机交互等领域有着广泛的应用，然而赋予合成材料与皮肤相似的力学特性和功能，包括灵敏感知力、正交各向异性、非线性力学响应和自愈能力仍然是一项巨大的挑战。受皮肤组织结构(即交织的刚性胶原纤维嵌入柔软的弹性蛋白基质中)的启发，一种可行的方法是将软基质与刚性骨架复合在一起。然而，由于两种材料模量和伸长率的差异，复合材料在变形过程中容易发生剥离和分层，从而影响其稳定性和使用寿命。
 

　　在国家自然科学基金委的支持下，化学研究所极端环境高分子材料院重点实验室黄伟课题组通过直写3D打印，制备了具有特定结构的刚性骨架，与柔软的离子凝胶复合后，成功得到一种具有皮肤各项力学特征和功能的仿生离子皮肤。其中，刚性骨架树脂由巯基单体、丙烯酸酯、碱或碱性可聚合单体催化剂、甲基丙烯酸酯、光引发剂、纳米填料组成；离子凝胶树脂则由丙烯酸酯、离子液体、光引发剂组成。材料制备过程中，首先将具有优异触变性的光固化树脂应用于直写3D打印，制备具有特定结构的刚性骨架。室温避光条件下，树脂中的丙烯酸酯单体和巯基单体在碱催化下发生巯基-迈克尔加成反应得到刚性骨架的第一网络，而甲基丙烯酸酯单体由于电子云密度以及空间位阻较大导致其室温下未参与反应；之后，在刚性骨架中灌注离子凝胶树脂，刚性骨架中剩余的甲基丙烯酸酯单体与浇注的离子凝胶树脂采用光固化的方式进行共固化，得到刚性骨架-离子凝胶复合材料。
 

　　该“软”“硬”结合的复合材料不但实现了与人体皮肤相似的力学各向异性和非线性力学响应，也通过刚性骨架和离子凝胶树脂的共固化形成强共价键结合，解决骨架材料和基体材料界面结合性能差的问题。此外，由于骨架和基体之间巨大的模量差异所产生的抗裂纹生长能力以及材料的自愈合特性确保了仿生离子皮肤的抗疲劳和长期稳定性。
 

　　该工作以“Bionic Artificial Skin Based on Self-Healable Ionogel Composites with Tailored Mechanics and Robust Interfaces”为题发表在《Advanced Materials》上(https://doi.org/10.1002/adma.202405776)。文章第一作者是博士生张曼雯，通讯作者是化学所黄伟研究员和于然副研究员。