摘要：厦门大学林乃波/刘向阳课题组受到细胞膜转运蛋白的启发，设计并合成了具有离子交换通道的新型聚氨酯离子凝胶，该聚氨酯离子凝胶的电导率可达到28 ~ 39 mS/cm，电导率的提升为该聚氨酯构建的离子皮肤带来了更稳定的传感信号和更广阔应用范围。
关键词：Advanced Science, 聚氨酯, 离子凝胶, 离子皮肤，厦门大学, 柔性传感器。
图1 受生物启发高导电率聚氨酯原理
随着时代发展，人们对自身健康监测的重视在不断加速柔性电子领域的发展。尤其是以离子为导电载体的离子凝胶，由于其与生物体内的电信号传导方式相似，而受到生命科学领域学者的广泛关注。离子凝胶以离子液体为载流子，离子液体分子的迁移会因尺寸较大而受到聚合物分子阻碍，导致导电率低的问题。较低的导电率会影响离子凝胶构建的离子皮肤性能。如果能够有效降低聚合物分子对离子液体分子的阻碍作用，就可以提高离子凝胶电导率。
近日，厦门大学林乃波和刘向阳课题组受细胞膜离子通道蛋白转运蛋白的启发，在聚氨酯的硬段结构域引入羧基制造离子交换位点，该人工离子交换位点使离子在电场作用下能顺利通过聚氨酯网络，显著提高离子凝胶的导电性，电导率达28 ~ 39 mS/cm。相关结果发表在Advanced Science。
目前具有高拉伸性的导电离子凝胶被广泛的应用于应变传感器、柔性生物电极等领域。该研究团队基于仿生思路在聚氨酯分子的制备过程中引入羧基，将所得含有羧基的聚氨酯乳液与水性离子液体混合均匀，在常温常压下晾干得到聚氨酯离子凝胶。通过提高聚氨酯分子中羧基含量，实现离子凝胶的导电率提高。该离子凝胶的拉伸应力为0.6 ~ 0.1 MPa，杨氏模量为0.075 - 0.586 MPa，拉伸应变为200%，与皮肤组织的力学性能匹配度高。利用该离子凝胶构建了柔性应变传感器，心电和肌电的检测电极，以及电容式传感器的介电层材料，成功采集到相关信号。得益于离子凝胶的高电导率，所构建柔性应变传感器的灵敏度远高于平行样本，心电和肌电电极的灵敏度也高于商用凝胶电极。该研究为离子凝胶聚合物基质的分子设计和制备提供了新的思路和实用方法，为离子皮肤在可穿戴电子、生物医学、人工智能等领域应用奠定了基础。
相关工作以“Bioinspired Conductive Enhanced Polyurethane Ionic Skin as Reliable Multifunctional Sensors”为题，发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202300857)上，文章第一作者为厦门大学硕士研究生赵必诚，通讯作者为厦门大学林乃波副教授和刘向阳教授。
论文信息：
Bioinspired Conductive Enhanced Polyurethane Ionic Skin as Reliable Multifunctional Sensors
Bicheng Zhao, Jiaqi Yan, Fen Long, Wu Qiu, Guoqing Meng, Zhicheng Zeng, Hui Huang, Han Wang, Naibo Lin*, Xiang-Yang Liu*
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202300857
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