科学指南针文献解读系列-Adv. Funct. Mater：用于智能可穿戴人机

文献解读‖Adv. Funct. Mater：用于智能可穿戴人机交互的柔性加速伤口愈合抗菌 MXene 表皮传感器


1. 研究背景及领域挑战
导电水凝胶具有皮肤般的柔软性、与生物组织相似的结构以及可调谐的3D导电通道等特点，在可穿戴电子产品、柔性储能系统、以及智能医疗等领域引起了广泛的研究兴趣。与此同时，由于柔性电子皮肤的巨大前景，基于导电水凝胶的表皮传感器可以将生理活动信号转化为可检测的电子信号，在过去十年中引起了极大的关注，人机界面，和医学诊断。然而，当前基于导电水凝胶的表皮传感器通常表现出机械强度弱、电导率低和传感性能有限。它们严重阻碍了高性能超灵敏监测微小电生理信号（如肌电图（EMG）信号和心电图（ECG）信号）用于康复训练和肌肉和心血管相关疾病诊断的实际应用。例如，基于导电水凝胶的表皮传感器是由掺有导电填料的聚合物纳米复合材料组装而成，表现出相对较弱的机械强度和较低的传感灵敏度。MXenes，新兴的二维导电过渡金属碳化物和碳氮化物，已被广泛用于传感、能量存储、电磁干扰屏蔽和催化剂。MXene纳米片具有带负电荷的亲水表面、大的比表面积和高导电性，被认为是制备导电水凝胶表皮传感器的理想候选者，具有增强的机械性能、卓越的导电性和令人羡慕的传感性能，可用于个人健康监测和疾病预测。因此，迫切需要制备基于MXene水凝胶的表皮传感器来灵敏地监测大的人体运动和微小的电生理信号，最终为康复训练以及心血管和肌肉相关疾病的诊断提供潜力。
近年来，各种基于导电水凝胶的柔性表皮传感器已经被开发出来，用于人类医疗保健监测，但缺乏可靠、灵敏的诊断医疗保健传感和及时治疗的集成高效治疗能力。伤口是由于各种外部损伤造成的皮肤破损。伤口的存在大大增加了感染的风险，这通常会导致伤口状况恶化、伤口愈合时间延长、医疗过程复杂，甚至死亡。因此，迫切需要制定有效抗菌、加速伤口愈合和伤口治疗的可靠策略。在多种策略中，基于功能性水凝胶的伤口敷料被认为是一种简单而有效的伤口治疗方法。此外，多功能水凝胶具有可靠的自愈能力、强大的可注射性和优异的抗菌活性，可用于治疗伤口。直接注射到伤口部位，可以完全覆盖不规则形状的伤口，防止进一步感染，并能高效抗菌，加速伤口修复。因此，迫切需要开发可组装的多功能水凝胶，用于高性能可穿戴人机交互、用于潜在医疗诊断的人体健康监测以及同步医疗，具有出色的自愈能力、可靠的可注射性和强大的抗菌性能。
2. 文章详情
在这项研究中，北京化工大学万鹏博教授团队通过将抗菌银纳米颗粒涂覆的MXene (AgNPs/MXene) 纳米片网络引入瓜尔胶(GG)和苯硼酸的聚合物网络中，轻松制备可愈合、可注射和抗菌的MXene水凝胶。接枝海藻酸钠（Alg-PBA）用于可穿戴人机交互和高性能人类医疗保健监测，用于潜在的康复训练和心血管和肌肉相关疾病的诊断，以及显着加速伤口愈合的有效伤口治疗（图1）。由于抗菌AgNPs/MXene纳米片的引入，所制备的MXene水凝胶（AgNPs/MXene/GG/Alg-PBA）表现出增强的机械强度、改善的电导率和强大的抗菌能力。MXene水凝胶被组装成多功能表皮传感器，可以灵敏地监测大型人体活动和微小的电生理信号（如心电图和肌电图），为康复训练以及心血管和肌肉相关疾病提供重要的临床信息。得益于AgNPs/MXene纳米片、GG和Alg-PBA之间的超分子相互作用，以及GG的羟基与Alg-PBA的苯基硼酸基团之间的动态交联，MXene水凝胶具有优异的自修复能力。同时，明显的剪切稀化特性导致MXene水凝胶具有强大的可注射性。此外，细胞相容性实验表明MXene水凝胶没有表现出明显的细胞毒性。体外抗菌测试表明所制备的MXene水凝胶具有出色的抗菌性能，该水凝胶主要来源于MXene纳米片上涂覆的AgNP。优异的自愈能力、强大的注射性和可靠的抗菌性能使得MXene水凝胶可以直接注射到伤口部位，进一步抗菌和修复伤口，有效加速伤口愈合。该系列研究工作为制造基于柔性导电水凝胶的表皮传感器铺平了道路，该传感器具有集成的高性能传感能力，可用于潜在的诊断和治疗，在可穿戴电子产品、健康诊断和智能医疗方面显示出巨大的潜力。


图 1. a) 可愈合、可注射和抗菌 MXene水凝胶的制造示意图以及在 b) 人类医疗保健监测和 c) 伤口治疗中的进一步应用。
1. 图文解析


图2. a) 手风琴状Ti3C2Tx 的扫描电子显微镜(SEM)图像。 b) MXene 纳米片的 SEM 图像。c) MXene 纳米片的透射电子显微镜 (TEM) 图像。d) 苯硼酸接枝海藻酸钠（Alg-PBA）和瓜尔胶（GG）的分子结构。e) MXene水凝胶的光学图像。f)冻干MXene水凝胶的 SEM 图像。


图3. a) 由可修复MXene水凝胶和绿色LED指示器组成的串联电路：i)完全分叉，ii) 相应的电路示意图。 iii) 自愈和 iv) 相应的电路原理图。b）MXene水凝胶的可注射特性：MXene水凝胶可以很好地挤出来写i）“哈佛”和ii）“麻省理工学院”


图4. 由 MXene 水凝胶组装而成的表皮传感器，用于人体运动检测。记录的传感器对 a) 手腕弯曲、b) 手指弯曲、c) 吞咽和 d) 脉搏的传感响应。插图：安装在手腕、手指、喉咙和手腕桡动脉上的传感器的照片。


图5. 由MXene水凝胶组装而成的表皮传感器，用于电生理信号检测。a）心电图检测设置示意图。b) 心电图信号。c) EMG 检测设置示意图。d) MXene 水凝胶电极和不含AgNPs/MXene的商用水凝胶电极检测到的 EMG 信号 i)原始，ii) 右手握拳后)。e) i–iii) 握住弹性球时监测前臂上的肌电图信号。iv)以不同的握力握持球时的 EMG 信号。v) EMG 信号幅度随握力增加的变化。


图6. a)志愿者佩戴无线体感手套进行传感时，将柔性表皮传感器连接到机械手的手指上，并通过志愿者的手进行无线控制 b)手指弯曲以演示“是”手势，c) 显示抓握机器人的。
4. 结论
总之，我们提出了一种可愈合、可注射和抗菌MXene水凝胶的制造方法，用于高度敏感的个人医疗保健监测和后续治疗。MXene水凝胶是将抗菌AgNPs/MXene纳米片网络纳入聚合水凝胶网络中制成的，具有增强的机械强度、改善的导电性和强大的抗菌性能。此外，AgNPs/MXene纳米片、GG和Alg-PBA之间的超分子相互作用，以及Alg-PBA的苯基硼酸基团与GG的羟基之间的动态交联赋予MXene水凝胶优异的自修复能力。同时，明显的剪切稀化特性表明MXene水凝胶具有良好的可注射性。MXene水凝胶可以组装成多功能表皮传感器，灵敏地监测大的人体运动信号和微小的电生理信号，如心电图和肌电图信号，最终为康复训练以及心血管和肌肉相关疾病提供潜在的健康诊断。此外，这种MXene水凝胶可以直接注射到伤口部位，治疗伤口感染并有效加速伤口愈合。该研究为基于导电水凝胶的表皮传感器的制备提供了新的思路，该传感器具有优异的自愈能力、可靠的可注射性、强大的抗菌性能以及同时传感和治疗的优异传感性能，在可穿戴电子、个人健康诊断、智慧医疗、可穿戴人机交互。