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瓣鰓類(lèi)動(dòng)物啟發(fā)的用于電生理的表皮電極

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瓣鰓類(lèi)動(dòng)物例如貽貝、牡蠣或蛤等可以利用其足絲牢固地附著在巖石表面，從而能在潮漲潮汐過(guò)程中生存下來(lái)。這種可伸展、能自愈的粘性足絲主要?dú)w咎于其兩相結(jié)構(gòu)特征:兒茶酚-金屬離子配合物作為硬域提供剛度，硫醇或二硫鍵作為軟域耗散能量用以實(shí)現(xiàn)可伸展性，動(dòng)態(tài)配位鍵與二硫鍵賦予其自愈能力，羥基、硫醇或二硫鍵與接觸表面作用從而具有一定粘性。

受上述瓣鰓類(lèi)動(dòng)物足絲結(jié)構(gòu)啟發(fā)，劉楠教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種類(lèi)皮膚彈性體，該彈性體具有極高的斷裂伸長(zhǎng)率（Stretchability＞2300%）和透明性（Transparency＞90%@550 nm），溫和的粘性（Adhesiveness）和快速的自治愈能力（Rapidly self-healing），取這些性能首字母將該彈性體命名為STAR。通過(guò)理論計(jì)算、單分子力光譜和紅外光譜表明STAR由強(qiáng)的動(dòng)態(tài)氫鍵和弱的動(dòng)態(tài)二硫鍵組成，其中動(dòng)態(tài)鍵的梯度斷裂可以進(jìn)行能量耗散，動(dòng)態(tài)氫鍵和二硫鍵的協(xié)同作用讓其兼具可拉伸性、粘性和自愈性。結(jié)合銀納米線(xiàn)可以制備出兼具透明、可拉伸、自修復(fù)、生物兼容的表皮電極，它可以準(zhǔn)確記錄電生理信號(hào)并且控制機(jī)械手進(jìn)行人機(jī)交互。這種表皮電極為一套同時(shí)兼具透明、可拉伸、自治愈、粘附和生物兼容的新型表皮電子器件提供了廣泛的應(yīng)用前景。

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圖一.瓣鰓類(lèi)動(dòng)物啟發(fā)的用于電生理的表皮電極示意圖。(a)一只貽貝通過(guò)其足絲附著在另一只貽貝上面。(b)瓣鰓類(lèi)動(dòng)物足絲軟硬部分的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c) STAR的化學(xué)結(jié)構(gòu)和拉伸后的兩個(gè)動(dòng)態(tài)鍵變化。(d)電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的示意圖。

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圖二.電生理信號(hào)檢測(cè)和人機(jī)交互。（a）STAR電極（b）自治愈后的STAR電極以及（c）商用凝膠電極記錄的心電信號(hào)。（d）STAR電極（e）自治愈后的STAR電極以及（f）商用凝膠電極記錄的肌電信號(hào)。（g-i）STAR電極控制機(jī)械手進(jìn)行人機(jī)交互，可以識(shí)別不同的手勢(shì)：（g）伸手，（h）“ i-love-u”手勢(shì)，以及（i）握拳。

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該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21903007, 22072006）、青年千人計(jì)劃、中央高?；A(chǔ)研究基金和北京市科委的資助，同時(shí)也感謝北京化工大學(xué)何程智研究員的幫助。相關(guān)成果近期發(fā)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。北京師范大學(xué)是該工作第一單位，文章第一作者為博士生葉國(guó)。

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論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0MH01656J

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