La invención se refiere a una piel electrónica de nanofibras enteras transpirable, biodegradable, antibacteriana y autoalimentada basada en un nanogenerador de fricción

Como el órgano más grande del cuerpo humano, la piel humana no solo tiene las funciones básicas de protección, secreción y respiración, sino que también es un importante sistema somatosensorial para la interacción y comunicación entre el ser humano y el mundo material. En los últimos años, el desarrollo de la piel electrónica biónica ha despertado un gran interés entre los investigadores y tiene una amplia gama de aplicaciones en el monitoreo de la salud personal portátil, prótesis y robótica inteligentes, interacción humano-computadora e inteligencia artificial.

Según diferentes mecanismos de detección física, la piel electrónica se puede clasificar en tipos piezorresistivos, capacitivos, piezoeléctricos y triboeléctricos. La piel electrónica detecta y cuantifica una variedad de estímulos ambientales, incluidos la temperatura, la humedad, la presión, la vibración y el tacto, y los convierte en pulsos electrónicos visuales y en tiempo real. La energía de fricción es un tipo de uso de contacto eléctrico con el efecto de acoplamiento de la inducción electrostática, la valiosa energía mecánica común se puede convertir en acceso de energía eléctrica a nueva tecnología de energía, bajo costo, estructura simple, uso conveniente, elección de material, alta eficiencia de conversión, etc. En el campo de la fuente de alimentación portátil y el sensor de fuente de alimentación tiene una amplia perspectiva de aplicación, es la opción ideal para la piel electrónica de tipo independencia energética.

La flexibilidad, la extensibilidad, la sensibilidad, la adaptabilidad y la durabilidad mecánica son las direcciones de investigación más comunes de la piel electrónica en la actualidad, que también son relativamente fáciles de realizar. En los últimos años, para mejorar el rendimiento integral de la piel electrónica, se han estudiado gradualmente las funciones especiales de la piel electrónica, como la reciclabilidad, la autocuración, la memoria de forma, la electroluminiscencia y la luminiscencia mecánica. A pesar de la continua optimización y mejora de los aspectos anteriores, la comodidad, la seguridad y la protección del medio ambiente de la piel electrónica se han descuidado, lo que dificulta en gran medida la aplicación práctica de la piel electrónica. Por lo tanto, la piel electrónica ideal para el confort y la practicidad debe ser transpirable, biodegradable y antibacteriana. La permeabilidad al aire es un desempeño importante para ajustar el equilibrio de calor y humedad y realizar el intercambio de gases entre el cuerpo humano y el ambiente exterior. Sin embargo, la piel electrónica de alto rendimiento UTILIZA membranas como electrodos o sustratos, lo que puede causar irritación de la piel e incluso inflamación y picazón. Además, el contacto a largo plazo entre la piel electrónica y la piel humana es un buen medio para el crecimiento microbiano, por lo que las propiedades antibacterianas son importantes para que la piel electrónica inhiba el crecimiento bacteriano y prevenga la infección bacteriana. Además, la mayoría de los materiales no son desechables, al final de su vida útil pueden convertirse en desechos electrónicos, o incluso dañar el cuerpo humano o contaminar el medio ambiente.

Recientemente, el equipo de investigación del Instituto de Energía y Sistemas Nanométricos de Beijing, Academia de Ciencias de China, diseñó una piel electrónica respirable, biodegradable, antibacteriana y autoalimentada totalmente de nanofibras basada en un nanogenerador de fricción, que realizó la recolección de energía mecánica y la detección autopropulsada de fisiología del cuerpo humano y señales de movimiento articular. Por copolímero de ácido poliláctico/ácido glicólico (PLGA) y membrana de nanofibras de alcohol polivinílico (PVA) respectivamente como capa de electrificación y el sustrato y nanocables de plata (AgNW) como intermediario, formado con una red de nanofibras escalonadas de múltiples capas y un gran número de tres -estructura dimensional de micro-nano agujeros basada en el poder de fricción de la piel electrónica, ser útil para la piel del cuerpo humano y el entorno externo de transferencia de calor. Al mismo tiempo, la piel electrónica tiene muy buenas propiedades antibacterianas, puede inhibir eficazmente el crecimiento de Escherichia coli y Staphylococcus aureus y prevenir infecciones bacterianas. Al cambiar el tamaño y la combinación de PLGA y PVA biodegradables, el ciclo de degradación de la piel electrónica se puede ajustar de varios días a varias semanas. Además, con una función de salida máxima de 130 mW/m2 y una sensibilidad de respuesta de voltaje de 0.011 kPA-1, la piel electrónica puede realizar un monitoreo autoalimentado no invasivo en tiempo real de señales fisiológicas (como microexpresiones, pulso, respiración y vocaciones) y movimientos articulares (como nudillos, codos, rodillas y tobillos) del cuerpo humano. Este trabajo proporciona una estrategia de investigación sin precedentes para el desarrollo de pieles electrónicas multifuncionales prácticas. Los resultados del título "Una piel electrónica transpirable, biodegradable, antibacteriana y autoalimentada basada en nanogeneradores triboeléctricos de nanofibras", publicados en Science Advances.

Diseño de la estructura y características de la composición de la piel electrónica de nanofibras enteras basada en un nanogenerador de fricción

Caracterización de las propiedades de tracción, permeabilidad al aire y salida eléctrica

Caracterización de propiedades antimicrobianas y biodegradables

Señales fisiológicas sistémicas y monitorización del movimiento articular

Avances científicos (IF: 12.804) Fecha de publicación: 2020-06-26,

DOI: 10.1126/sciadv aba9624