基于海藻的水凝膠傳感器，可作為健康監(jiān)測的第二層皮膚

這種水凝膠傳感器由海藻、巖鹽、水和石墨烯制成，相較于用于健康監(jiān)測可穿戴設備的聚合物解決方案而言，其是一種更具可持續(xù)性的替代方案。

可穿戴技術通常采用柔軟輕質的材料，以增加舒適度和便攜性。聚合物材料因其良好的柔韌性、耐用性和粘附性，在可穿戴設備中展現出了廣闊的應用前景。然而，隨著越來越多關于廢棄電子產品對環(huán)境影響的研究開展，人們開始尋找更具可持續(xù)性的環(huán)保材料。

據麥姆斯咨詢報道，近期，薩塞克斯大學（University of Sussex）的研究人員提出一種用海藻替代聚合物的可穿戴傳感器解決方案?；诤Ｔ宓男滦蛡鞲衅鞑粌H可生物降解，還比基于塑料或橡膠的傳感器更靈敏、更精準，展現了其在監(jiān)測人體生命體征方面的優(yōu)勢。相關研究成果以“Food-Inspired, High-Sensitivity Piezoresistive Graphene Hydrogels”為題發(fā)表在American Chemical Society期刊上。本文將簡要探討聚合物在可穿戴設備中的應用，及其面臨的可持續(xù)性問題，以及薩塞克斯大學的這項最新研究成果。

薩塞克斯大學研究制備的石墨烯海藻水凝膠，成分簡單且可生物降解，研究人員稱其“可食用”。

聚合物材料及其可持續(xù)性的探索

聚合物材料在許多電氣工程應用中發(fā)揮著重要作用，例如電池電極和涂層。柔性電子可穿戴傳感器是聚合物材料的一個典型研究領域，基于聚合物的壓阻傳感器可以根據電阻變化來檢測機械應變。這種性能用于可穿戴設備，可以幫助監(jiān)測穿戴者的運動行為，從而更好地跟蹤他們的健康狀況。

研究人員探索了不同的材料來開發(fā)這些壓阻傳感器，包括納米復合材料、彈性聚合物基底上的納米材料沉積或導電聚合物。

基于聚合物的壓電機械傳感器示例

這些聚合物材料雖然具有低成本和高性能的優(yōu)點，但它們面臨的一個主要問題是可持續(xù)性。因為基于聚合物的傳感器無法生物降解，最終會產生電子垃圾。此外，其制造過程通常需要使用有害溶劑，會導致塑料垃圾。這些材料的碳足跡還可能會影響其商業(yè)前景，并且隨著環(huán)境責任政策的變化，可能會限制它們進入市場。

因此，有必要開發(fā)對環(huán)境友好和可生物降解的替代材料。研究人員不再依賴于不可回收、高度交聯(lián)的橡膠，轉而開始探索其他方法來制備既有效又無害的器件。

基于海藻的新型傳感器

為了解決這些問題，薩塞克斯大學的研究人員開發(fā)了一種新型傳感器，該傳感器完全可生物降解，并且性能優(yōu)于現有的合成水凝膠和納米材料。

研究稱，這種新型傳感器通過將無污染的石墨烯水溶液與藻類基質結合，從而制成石墨烯海藻水凝膠。天然材料（海藻、巖鹽和水）與石墨烯的結合，使這種新型傳感器成為目前主流聚合物解決方案的可持續(xù)替代方案。

雖然海藻本身是一種絕緣體，但在海藻混合物中添加大量石墨烯會形成導電薄膜。研究人員發(fā)現，當這種薄膜浸泡在鹽水中時，會迅速吸收水分，形成一種“柔軟、海綿狀、導電的水凝膠”。

基于海藻的傳感器開發(fā)過程

研究人員稱，石墨烯海藻水凝膠具有最小的楊氏模量（約0.6 Pa），適用于應變傳感器，并具有壓阻特性，其壓力傳感能力遠超商用和文獻報道的水凝膠傳感器。事實上，這種水凝膠傳感器非常靈敏，可以測量質量僅為2毫克的物體，相當于一顆雨滴撞擊表面。

研究人員稱，這種新型傳感器能夠實現更環(huán)保的可穿戴解決方案，同時不會犧牲其傳感性能。它在健康監(jiān)測領域具有重要價值，為臨時紋身或第二層皮膚的臨床級可穿戴應用打開了新的大門。由于基于純天然材料制成，該解決方案是含有電線和引線的侵入性醫(yī)療器械的一種輕便、舒適、安全的替代方案。此外，石墨烯海藻水凝膠與現有的基于聚合物的可穿戴設備相比更靈敏、更精準。

相關論文：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c06101

審核編輯 ：李倩