9月27日，林業(yè)工程學(xué)科生物質(zhì)仿生智能研究團(tuán)隊(duì)在納米材料領(lǐng)域國(guó)際期刊《ACS Nano》（中科院1區(qū)Top，IF=15.8）在線(xiàn)發(fā)表題為《用于人造皮膚以及生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的髓鞘啟發(fā)水凝膠電極》（Myelin sheath-inspired hydrogel electrode for artificial skin and physiological monitoring）的研究論文。該團(tuán)隊(duì)本科生柳晨聰為本文第一作者，浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院為該論文第一單位和通訊作者單位。
近年來(lái)，基于水凝膠的表皮電極研究取得了顯著進(jìn)展。然而，其固有的局限性（如自適應(yīng)性和導(dǎo)電性）影響了生理-電極界面的靈敏度和動(dòng)態(tài)信噪比。本研究提出了受髓鞘啟發(fā)的水凝膠表皮電子概念，即在弱物理交聯(lián)的聚電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中引入反髓鞘結(jié)構(gòu)的聚(3,4-乙二氧基噻吩): 磺化纖維素納米纖維（PEDOT:SCNF）導(dǎo)電纖維。該導(dǎo)電納米纖維可通過(guò)溶劑催化磺化和氧化自聚合制備，經(jīng)過(guò)離子液體屏蔽后處理實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率提升。
髓鞘啟發(fā)水凝膠電極設(shè)計(jì)
在含髓鞘的神經(jīng)纖維中，每?jī)蓚€(gè)施萬(wàn)細(xì)胞之間的無(wú)髓鞘軸索是裸露的，構(gòu)成郎飛結(jié)，興奮以跳躍的方式在相鄰的兩個(gè)結(jié)之間形成局部電流，大大加快了信號(hào)傳導(dǎo)速度。由于電壓依賴(lài)性鈉（Nav）通道的節(jié)點(diǎn)簇的存在和髓鞘的電容特性，朗飛結(jié)的存在促進(jìn)動(dòng)作電位的快速、定向躍遷傳播。受這一現(xiàn)象的啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種“反朗飛結(jié)”導(dǎo)電納米纖維，將其引入自適應(yīng)性水凝膠聚電解質(zhì)基質(zhì)內(nèi)部，形成含節(jié)段性導(dǎo)電躍遷通路的仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
▲仿生郎飛結(jié)定向躍遷電導(dǎo)示意圖
機(jī)械納米感應(yīng)評(píng)估
該仿生凝膠電極具有低且穩(wěn)定的表皮-電子接觸阻抗，其應(yīng)用潛能包括：人體動(dòng)作像素化監(jiān)測(cè)、機(jī)器與人間類(lèi)模擬通信接口構(gòu)建、表面肌電圖（sEMG）和心電圖（ECG）監(jiān)測(cè)等。作為概念驗(yàn)證，我們展示了該凝膠在手臂三角肌肉群的空間映射、無(wú)線(xiàn)智能手勢(shì)控制機(jī)器推車(chē)、面部提唇肌和皺眉肌sEMG監(jiān)測(cè)以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)ECG比較等場(chǎng)景下的實(shí)際應(yīng)用水平。結(jié)果證實(shí)了仿生凝膠電極在穿戴式人機(jī)界面智能系統(tǒng)中的多功能應(yīng)用潛力，通過(guò)仿生凝膠傳感材料的整合，可穿戴柔性凝膠電子的應(yīng)用將有望涵蓋從生理狀態(tài)譜圖實(shí)時(shí)繪制、假肢控制等醫(yī)療保健到家庭和工業(yè)自動(dòng)化各個(gè)領(lǐng)域。
▲多像素凝膠電極陣列
（化材學(xué)院 謝秀琴）
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