张立群院士/万鹏博教授《AFM》：可用于智能人机界面和光热疗法的MXene水凝胶表皮传感器

随着人工智能的蓬勃发展，柔性可穿戴设备有望革新个人健康管理的格局，带来颠覆性的变化。基于导电水凝胶的表皮传感器凭借其柔软度、组织相似性、3D 仿生结构和可调导电通道，在智能电子皮肤、多功能假肢、人体运动监测和智能诊疗等领域有十分诱人的应用前景。但是，它存在拉伸性差、灵敏度低、传感范围窄和重现性差等问题，这极大地限制了它们的实际应用。除此之外，目前报道的表皮传感器大多缺乏智能诊断后进一步及时治疗的能力。最近，光热疗法 (PTT) 因其时空可控性、非侵入性和可忽略的副作用而成为一种广泛的治疗策略。通过光热效应产生的局部热疗，能够促进微循环血流，减轻关节僵硬，缓解疼痛，在关节炎治疗中显示出巨大潜力。然而，实现卓越的光热性能以在短时间近红外（NIR）照射下快速加热以有效治疗腕关节炎等疾病仍然是一个巨大的挑战。此外，现有的水凝胶通常在潮湿的生理环境中表现出明显的溶胀行为，过度溶胀也会显着削弱水凝胶的导电性和机械强度。因此，制备具有高灵敏度、出色的抗溶胀性、卓越的光热性能以及按需药物释放特性的导电水凝胶基表皮传感器仍然是一项巨大的挑战。

为此，来自北京化工大学张立群院士、万鹏博教授团队通过将MXene纳米片网络巧妙地引入到包含低熔点琼脂糖和聚乙烯醇的水凝胶网络中，轻松制备了柔性多功能 MXene水凝胶表皮传感器。该柔性多功能MXene水凝胶表皮传感器具有高灵敏度、宽传感范围（高达350%应变）和可靠的重现性，可以灵敏地监测各种人体生理信号（如肘部弯曲、手指弯曲、吞咽和腕脉搏）和细微的电生理信号（包括 EMG 和 ECG 信号），为康复运动和心血管/肌肉相关疾病提供重要的诊断信息。此外，MXene 水凝胶还具有优异的抗溶胀性、良好的生物相容性、出色的光热性以及按需释放抗生素的能力，可用于伤口的按需光热/药物协同治疗，显着加速伤口修复。该论文以题为“Flexible Antiswelling Photothermal-Therapy MXene Hydrogel-Based Epidermal Sensor for Intelligent Human–Machine Interfacing”发表在Advanced Funvtional Materials上。

图1. 柔性多功能导电 MXene水凝胶的制备及其功能示意图

MXene水凝胶表皮传感器对人体运动及电生理信号的监测

图 2a显示将传感器贴在人的手指上以检测手指弯曲。相对电阻变化随着手指弯曲角度的增加而显着增加，并在保持弯曲角度不变的情况下保持稳定，这表明传感器能够准确地测量弯曲角度。随后，将传感器贴附在肘关节上以检测肘关节的弯曲运动，在肘关节屈曲/伸展下检测到的可重复且清晰的信号，这进一步证实了该传感器可靠的传感能力。

图3展示了用MXene水凝胶表皮传感器来记录 EMG 信号。握紧右拳时可以清楚地检测到 EMG 信号，一旦松开拳头，信号瞬间消失。此外，当抓住具有不同握力的弹性体球时，不同肌肉收缩产生的 EMG 信号能够被 MXene 水凝胶电极清楚地记录下来，并且在更大的握力下可以观察到更高的肌电信号幅度，这对于术后康复训练和相应的损伤肌肉治疗具有重要意义。

图2. MXene水凝胶表皮传感器对人体运动的监测

图3. MXene水凝胶表皮传感器对人体电生理信号的监测

MXene水凝胶表皮传感器在智能人机界面的应用

将柔性传感器安装在机械手的手指上，由志愿者的手通过无线体感手套无线控制。图 4展示了志愿者通过无线体感手套控制机械手来弯曲手指显示“胜利”手势和抓取网球，展示了MXene水凝胶的实时传感性能。此外，基于 MXene水凝胶的传感器还可以通过无线传输设备连接到机器人的左臂上，从而无线控制机器人手臂。

图4. MXene水凝胶表皮传感器在智能人机界面的应用

图5. MXene水凝胶表皮传感器控制机器人手臂

MXene水凝胶表皮传感器的光热性能及按需释放抗生素的能力

MXene 水凝胶暴露于连续NIR光照射（808 nm，0.75 W·cm -2) 下可以迅速加热，并且在≈200 s内达到平衡温度，而作为对照的PBS和没有MXene的水凝胶在相同的NIR条件下温度变化基本可以忽略，证明了MXene水凝胶出色的光热性能。这表明MXene水凝胶的表皮传感器可以用作可穿戴治疗加热器，以进一步实现智能光热疗法。集成在腕带上的MXene水凝胶传感器上进行短时间（最多≈200 秒）近红外光照射（808 nm，0.75 W·cm -2）以加热手腕后，可以实现高效的光热疗法促进血液流动，减轻手腕僵硬和疼痛。此外，作者还选择头孢拉定 (CE) 作为模型药物并加载到MXene水凝胶中以研究其在NIR光照射下的光控释放药物的能力。结果表明，NIR灯打开时，随着温度升高，CE的释放量显着增加，NIR灯关闭时，CE的释放量很小，这证实了按需释放药物可以通过可逆地切换NIR光照射来实现。

图6. MXene水凝胶表皮传感器的光热性能

图7. MXene水凝胶表皮传感器按需释放抗生素

结论：作者通过一种简单的方法制备了多功能 MXene 水凝胶表皮传感器，该传感器不仅可用于智能人机界面，还具有超灵敏的医疗保健传感性能和及时治疗的能力，有望改变人机交互和智能诊疗的个性化医疗保健格局。

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来源：高分子科学前沿

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