光刺激响应凝胶（高灵敏温度-压力双峰气凝胶用于人体生理监测的具有刺激可辨别性）

光刺激响应凝胶（高灵敏温度-压力双峰气凝胶用于人体生理监测的具有刺激可辨别性）图4：在（a）34℃，（b）36℃，（C）37℃和（d）38℃的温度下，MXene/PEO气凝胶在不同压力下的相对电流随时间的变化（从4到200 Pa）。插图：详细的相对电流变化曲线记录在100–200 s.（e，f）之间，MXene/PEO气凝胶的压力灵敏度随温度的变化。（g） 在0.05 Pa.（h）的小压力下，MXene/PEO气凝胶的相对电流随时间的变化放大了瞬态传感响应时间对施加压力的曲线。（i） 分别在36°C（500次循环）和38°C（500次循环）温度下，在0–20 Pa范围内1000次压缩释放循环中MXene/PEO气凝胶的相对电流变化。插图：38°C下651和656次压缩释放循环之间记录的详细相对电流变化曲线。（1）双传感材料基于导电纳米复合气凝胶，由导电纳米材料 Ti3C2Tx MXene 纳米片作为主要构件，以及热响应材料半晶聚（环氧乙烷）（PEO）作为插层材料组成

[摘要]

多模态传感器具有高灵敏度、精确的传感分辨率和刺激可分辨性，非常适合于人体生理状态监测。利用MXene和半晶聚合物在气凝胶多层细胞壁内组装可收缩的纳米通道结构，制备了具有独立热压阻特性的双传感气凝胶，用于区分温度和压力传感。可收缩的纳米通道由熔体流动触发的半结晶聚合物体积变化控制，充当热响应导电通道，使热阻气凝胶具有负的电阻温度系数−10.0%°C–1，在30–40°C的人体生理温度范围内，精确度在0.2°C以内。柔性细胞壁，用作压力响应传导通道，使压阻气凝胶具有高达777 kPa–1的压力灵敏度，可检测的压力极限为0.05 Pa。热压阻气凝胶可检测不同人体温度状态下动脉血管脉压波形的温度依赖性特征。

[介绍]

动脉脉搏波形被认为是人体可检测到的最广泛的生物信号之一，可以提供有关人体的全面生理信息。由于热应力和冷应力会影响血管的血管收缩和舒张，从而导致动脉硬度和径向压力的变化，因此在检测和分析动脉脉压波形期间，狭窄的生理温度范围内（约 30-40 °C）区分人体的温度变化至关重要。近年来，人们致力于开发可穿戴机电和电热传感器，以连续检测与温度相关的人体脉压信号。然而，开发能够同时检测压力和热刺激的可穿戴多模式传感器仍然是一个挑战。基于此，南开大学梁嘉杰和纪欣宜等人利用 MXene 和半结晶聚合物在气凝胶的多级细胞壁内组装可收缩的纳米通道结构，以实现可区分的温度和压力传感，从而制造出具有独立热压阻行为的双传感气凝胶。

[主图解读]

图1：MXene/PEO气凝胶热阻和压阻机制示意图。（a） MXene/PEO传感器结构示意图。（b） 压阻式和热阻式MXene/PEO传感器的等效电路图。（c） 与压力下MXene/PEO气凝胶细胞壁弯曲、弯曲和接触引起的外部电阻变化（RE）相关的压阻式压力传感过程图示。（d） 加热MXene/PEO气凝胶时，细胞壁内纳米通道收缩导致内阻变化（RI）相关热阻感测过程的图示。（e） 同时与RE和RI相关的压力和温度传感过程的图示。

本文要点：

（1）双传感材料基于导电纳米复合气凝胶，由导电纳米材料 Ti3C2Tx MXene 纳米片作为主要构件，以及热响应材料半晶聚（环氧乙烷）（PEO）作为插层材料组成，用于制备热阻和压阻 MXene/PEO 气凝胶。这些柔性二维 (2D) 纳米片可以通过氢键组装形成具有多层细胞壁的压阻气凝胶。压阻式 MXene 气凝胶的压力传感机制主要由细胞壁中的外部电阻变化 (RE) 控制，这是由压力下气凝胶中的细胞壁的弯曲、弯曲和接触引起的。该压阻气凝胶可表现出高达 777 kPa–1 的压力灵敏度，可检测的压力极限为 0.05 Pa。

图4：在（a）34℃，（b）36℃，（C）37℃和（d）38℃的温度下，MXene/PEO气凝胶在不同压力下的相对电流随时间的变化（从4到200 Pa）。插图：详细的相对电流变化曲线记录在100–200 s.（e，f）之间，MXene/PEO气凝胶的压力灵敏度随温度的变化。（g） 在0.05 Pa.（h）的小压力下，MXene/PEO气凝胶的相对电流随时间的变化放大了瞬态传感响应时间对施加压力的曲线。（i） 分别在36°C（500次循环）和38°C（500次循环）温度下，在0–20 Pa范围内1000次压缩释放循环中MXene/PEO气凝胶的相对电流变化。插图：38°C下651和656次压缩释放循环之间记录的详细相对电流变化曲线。

（2）热阻式PEO气凝胶热传感机制主要由熔融 PEO 引起的 MXene 纳米通道收缩，进而导致细胞壁内的内阻发生显着变化。因而，该热阻气凝胶被赋予-10.0%°C–1的负电阻温度系数和在人体生理温度30–40°C范围内0.2°C内的高精度。

图3：MXene/PEO气凝胶的温度传感性能。（a）PEO-1k、（b）PEO-1k/PEO-1.5k=0.1:1、（c）PEO-1k/PEO-1.5k=0.2:1和（d）PEO-1.5k的MXene/PEO气凝胶在不同温度（30至40℃）下的电流-电压曲线。对于（e）PEO-1k、（f）PEO-1.5k/PEO-1.0k=1:0.1、（g）PEO-1.5k/PEO-1.0k=1:0.2和（h）PEO-1.5k的MXene/PEO气凝胶，相对电阻随温度的变化而变化。（i） MXene/PEO气凝胶和先前报告的温度传感器的TCR值比较。（j） 在0.2°C的温度梯度从36°C变化到38°C的条件下，MXene/PEO气凝胶在0–100 Pa之间的循环压力随时间的相对电流变化。（k）放大了36.8°C下的可逆压缩释放行为。注意（i）中CNT代表碳纳米管，PU代表聚氨酯，AgNP代表银纳米粒子，PI代表聚酰亚胺，rGO代表还原氧化石墨烯，PtNF代表铂纳米纤维，SF代表丝素蛋白。

（3）这些独特的材料选择和结构设计使热压阻式 MXene/PEO 气凝胶能够在人体生理温度范围内以高灵敏度和传感精度检测和区分压力和热刺激。对于概念验证演示，作者成功地监测了动脉脉搏的温度相关压力波形。所有结果表明，该热压阻双传感材料在可穿戴电子设备的应用中具有广阔的应用前景，可用于实时诊断人体生理状态。

图5：MXene/PEO气凝胶用于同时检测压力和温度。（a） 将温水滴滴在MXene/PEO气凝胶上的示意图。在不同温度（30、36和40°c）下滴下液滴压力为（b）20 Pa和（c）40 Pa的水滴后，相对电阻随时间的变化。（d） 佩戴在志愿者手腕上的MXene/PEO传感器的光学图像，带有无线检测功能，用于监测动脉脉压和温度。在MXene/PEO传感器附近贴上一层柔性加热膜，对皮肤进行加热，以模拟发烧的情况。（e） 三种皮肤温度状态下脉压波形的相对电阻变化：35°C（人工低温）、36°C（正常状态）和38°C（人工发热）。（f） 比较不同皮肤温度下动脉脉压波形的相对阻力变化。将（b）中所示的数据与数据偏移量修改一起用于比较。（g–j）从（c）所示数据中获得的不同皮肤温度下的脉压信息：（d）P1峰值的相对阻力变化，（e）桡动脉增大指数（Alr=P2/P1），（f）桡动脉舒张增大指数（DAI=P3/P1），以及（g）手部周围反射波的往返时间（TR）作为皮肤温度的函数。

参考文献：

Jinhua Wu Xiangqian Fan Xue Liu Xinyi Ji Xinlei Shi Wenbin Wu Zhao Yue and Jiajie Liang. Highly Sensitive Temperature–Pressure Bimodal Aerogel with Stimulus Discriminability for Human Physiological Monitoring. Nano Lett. 2022

DOI:10.1021/acs.nanolett.2c01145