随着分子生物学和基因组学的突飞猛进，生物感知与信号传递背后的微观原理正逐步揭示，为新一代具有新原理、新功能的仿生传感器研究提供了重要的理论依据和全新的设计思路。以压电-离子弹性体为介电材料的离-电传感器作为其中一类新兴的仿生触觉传感器，不仅拥有柔软的触感以及受伤后像人体皮肤一样的自愈合功能，还通过模拟受体细胞在外力刺激下通过离子传输改变膜内外电位差从而获得对压力的感知功能。凭借这些独特性能，仿生的柔性传感器正在全球掀起一场智能触觉感知的技术浪潮。
为应对未来更高的技术要求，研究者不断挖掘生物中的不同功能作用机理，以更好地与材料结合来充分地发挥材料仿生功能的潜力。例如，Wang和Sun等人受到蜘蛛丝中氢键阵列的启发，在聚氨酯链段中引入大量的氢键，开发出了一种可在室温和水溶液中快速自愈合的柔性传感器；Fu等人则模仿了人体皮肤真皮层中的网状层，提出了一种新的分子策略，将透明柔软的自愈合聚脲中的弱岛结构转化为强双连续纳米相分离结构，开发出了一种可快速自愈合的、可用于检测运动信号的光学透明应变传感器。更多的研究则通过模仿人体皮肤的结构特征和传感原理来提高传感器的灵敏性。Ren等人受到人体表皮的多刺结构的启发，制备了具有仿生脊索微观结构的高灵敏、大线性范围的压力传感器；在模拟细胞器方面，我们团队模仿Merkel细胞膜上Piezo2蛋白的传感原理，联合制备了多种高灵敏的离-电皮肤。还有最近的一些研究是利用不同仿生机理之间的耦合作用，实现对器件性能的显著增强，即耦合增强效应。但我们注意到，这些研究还主要集中在对传感性能的提升，尚未利用分子-离子调控工程实现对离-电皮肤的自愈合、灵敏度的双重提升，这有待从生物功能的新机制中找寻破局之路。
近日，韩国科学技术院应邬彬副教授和中国科学院宁波材料技术与工程研究所的朱锦研究员以及华东师范大学的郁哲博士合作，受跨膜蛋白Tetraspanin在细胞自我修复方面和Piezo1、Piezo2两种通道蛋白在感知血压细微波动方面的启发，在聚氨酯/离子液体复合体系中构筑了多功能分子-离子调控位点，提出了牵引辅助愈合和双通道同步传感概念，从而开发出了兼具快速自愈合和高灵敏性能的压电-离子弹性体 (i-DAPU)，并以其为介电材料制备离-电皮肤 (DA-skin)，用于开发基于肌力的昏迷病人神经系统状况的智能分析系统（见下图）。相关成果发表于Advanced Functional Materials。中科院宁波材料所的陈超博士为第一作者，韩国科学技术院的应邬彬副教授，中科院宁波材料所的朱锦研究员和华东师范大学的郁哲博士为通讯作者。
图 (a) 细胞和i-DAPU的自愈合机理和感知机械刺激的机理；(b) 与其他弹性体相比，i-DAPU具有出色的自愈合速度和韧性；(c) 以i-DPAU为介电材料制备离-电皮肤 (DA-skin)具有超高灵敏度；(d) 可将DA-skin用于开发基于肌力的昏迷病人神经系统状况的智能分析系统。
为了开发出兼具快速自愈合和高灵敏性能的压电-离子弹性体 (i-DAPU)，研究团队在聚氨酯/离子液体（PU/IL）复合体系中构筑出融合牵引辅助愈合和双通道同步传感的多功能分子-离子调控位点，从而开发出愈合快、灵敏高的高性能离-电皮肤。在这个工作中，研究团队通过在聚氨酯主链中引入Donor-Acceptor自组装基团，并将其与离子液体（IL）[BMIM]+[PF6]-共混，制备新型压电-离子弹性体 (i-DAPU)。含有Donor- Acceptor自组装基团的聚氨酯分子(DAPU)与[BMIM]+[PF6]-彼此间相互吸引构成的分子-离子相互作用网络是实现融合牵引辅助愈合和双通道同步传感的基础。在破损后，被破坏的D-A基团会互相吸引重新链接，同时阴阳离子之间的静电相互作用可以辅助D-A基团自愈合；而对其施加压力时，Donor基团和Acceptor基团可以类似膜蛋白一样同时释放阴离子和阳离子。结果显示，以i-DAPU为介电材料的离-电传感器 (DA-skin)的自愈合速度和灵敏度分别达到了72 μm/min和7012.05 kPa-1，都处于已报到的各类仿生触觉传感的前列。并且，它的自愈合速度和灵敏度是普通不含有分子离子相互作用网络的离-电皮肤的4.78倍和19.26倍，是前所未有的双重提升。最后，利用所开发的双重性能提升的离-电皮肤开发了基于肌力的昏迷病人神经系统状况的智能分析系统，识别准确率达到99.2%。
本工作对高性能的压电-离子弹性体以及相关的仿生触觉传感器开发提供了新的设计思路和研究策略，同时有望在医疗健康领域发挥重要作用，真切地帮助医生进行精准的病情诊断。
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来源：高分子科学前沿
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