刘楠课题组：瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极

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瓣鳃类动物例如贻贝、牡蛎或蛤等可以利用其足丝牢固地附着在岩石表面，从而能在潮涨潮汐过程中生存下来。这种可伸展、能自愈的粘性足丝主要归咎于其两相结构特征:儿茶酚-金属离子配合物作为硬域提供刚度，硫醇或二硫键作为软域耗散能量用以实现可伸展性，动态配位键与二硫键赋予其自愈能力，羟基、硫醇或二硫键与接触表面作用从而具有一定粘性。
        受上述瓣鳃类动物足丝结构启发，刘楠教授团队设计并合成了一种类皮肤弹性体，该弹性体具有极高的断裂伸长率（Stretchability＞2300%）和透明性（Transparency＞90%@550 nm），温和的粘性（Adhesiveness）和快速的自治愈能力（Rapidly self-healing），取这些性能首字母将该弹性体命名为STAR。通过理论计算、单分子力光谱和红外光谱表明STAR由强的动态氢键和弱的动态二硫键组成，其中动态键的梯度断裂可以进行能量耗散，动态氢键和二硫键的协同作用让其兼具可拉伸性、粘性和自愈性。结合银纳米线可以制备出兼具透明、可拉伸、自修复、生物兼容的表皮电极，它可以准确记录电生理信号并且控制机械手进行人机交互。这种表皮电极为一套同时兼具透明、可拉伸、自治愈、粘附和生物兼容的新型表皮电子器件提供了广泛的应用前景。

图一.瓣鳃类动物启发的用于电生理的表皮电极示意图。(a)一只贻贝通过其足丝附着在另一只贻贝上面。(b)瓣鳃类动物足丝软硬部分的化学结构。(c) STAR的化学结构和拉伸后的两个动态键变化。(d)电生理信号监测的示意图。

图二.电生理信号检测和人机交互。（a）STAR电极（b）自治愈后的STAR电极以及（c）商用凝胶电极记录的心电信号。（d）STAR电极（e）自治愈后的STAR电极以及（f）商用凝胶电极记录的肌电信号。（g-i）STAR电极控制机械手进行人机交互，可以识别不同的手势：（g）伸手，（h）“ i-love-u”手势，以及（i）握拳。

       该工作得到了国家自然科学基金（21903007, 22072006）、中央高校基础研究基金和北京市科委的资助，同时也感谢北京化工大学何程智研究员的帮助。相关成果近期发表于期刊《Materials Horizons》：A Lamellibranchia-inspired epidermal electrode for electrophysiology. Guo Ye, Jiakang Qiu, Xiaoyu Fang, Tianhao Yu, Yayan Xie, Yan Zhao, Dongpeng Yan, Chengzhi He,* Nan Liu*. Mater. Horiz. 2021. DOI: 10.1039/D0MH01656J。北京师范大学是该工作第一单位，文章第一作者为博士生叶国。
        论文链接：https://doi.org/10.1039/D0MH01656J


        文章来源：北京师范大学
       刘楠 教授，北京师范大学化学学院博士生导师。近年来专注于设计制备新型低维材料，如石墨烯、碳纳米管和二维无机材料，用于柔性电子器件的开发，期待在人工智能和可持续环境保护方面有实际应用价值。并主持计划启动资金（2017-2022）、北京师范大学启动资金（2017-2022）、北京师范大学自主科研基金（2017-2019）等多项科研项目。