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新型MXene-水凝胶传感器,通过汗液分析提供实时肌肉疲劳监测

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【摘要】:
近期,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)研究团队开发了一种可穿戴传感器原型,该传感器基于一种新型MXene-水凝胶化合物,可用于汗液和肌肉疲劳监测。对于需要实时测量身体性能的运动员而言,将提供有效的价值。

KAUST研究团队开发出新型可穿戴MXene-水凝胶传感器原型,可用于汗液和肌肉疲劳监测

 

据麦姆斯咨询报道,近期,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)研究团队开发了一种可穿戴传感器原型,该传感器基于一种新型MXene-水凝胶化合物,可用于汗液和肌肉疲劳监测。对于需要实时测量身体性能的运动员而言,将提供有效的价值。

 

这种被称为MXenes的超薄纳米材料,有望通过分析汗液来实现人体健康状况监测。

 

MXenes与石墨烯具有相似的二维特性,不过MXenes是由无毒金属(例如:钛)与碳或氮原子结合而成,具有天然的高导电性和强表面电荷。对于需要检测微小化学浓度变化的生物传感器而言,MXenes是理想的候选材料。

 

2019年,KAUST的Husam Alshareef研究团队开发出一种MXene复合电极,并将其集成于可穿戴传感器之中。该传感器采用模块化设计,利用装有适量酶的MXene插入物,可以吸收汗液,并检测人体汗液中的葡萄糖和乳酸等分析物。

 

Husam Alshareef研究团队与Sahika Inal研究团队(同样来自KAUST)最近开始合作,尝试将MXene薄片与水凝胶相结合,水凝胶是一种充满水的聚合物,可任意拉伸,且能与人体组织兼容。有趣的是,研究团队发现,水凝胶中高浓度的可移动离子对运动过程中产生的机械应力具有很强的敏感性。

 

“最初,MXene薄片在水凝胶中是随机排列的,一旦对它们施加压力,薄片就会更加趋向水平排列。”Alshareef解释道,“由于MXenes表面具有高浓度的负电荷,水平排列方式下,会显著影响水凝胶内的离子运动,据此我们可以测量不同压力水平下的变化。”

 

(a-f)随着压力增加,MXene薄片和水凝胶孔在MXene-水凝胶中更加趋向水平。(g-i)在SEM图像中观察到的MXene薄片形态变化的示意图。(j-l)外加电场对MXene-水凝胶中电子和离子电荷传输影响的示意图。

 

使用新型MXene-水凝胶化合物开发的可穿戴传感器原型,能够在机械应力增加时产生独特的电阻模式来跟踪肌肉运动。反之,当传感器暴露于其它酸性或碱性溶液离子中时,这些模式又会立即改变。

 

通过一系列实验,KAUST研究团队证实了基于MXene-水凝胶的传感器,可以通过跟踪与肌肉乳酸堆积相关的汗液pH值变化,来判断人体肌肉疲劳状态。

 

(a)运动前绑在人体大腿上的MXene-水凝胶传感器及放置于人体脚踝上的蓝牙通信器。(b)深蹲运动时,暴露于人体汗液中的MXene-水凝胶传感器。(c)通过智能手机获取蓝牙通信器传输的信号。(d)运动后汗液pH值。(e)横轴为运动期间各阶段(不同深蹲次数)汗液pH值,通过测量MXene-水凝胶电阻变化,建立汗液pH值与MXene-水凝胶机电响应之间的相关性,以进行对比。

 

“当我们运动和肌肉疲劳时,该传感器会检测到新的化学环境,并产生不同的电阻与压力曲线。”该研究的第一作者Kang Lee(原KAUST博士后)说道,“通过将这些曲线与给定传感器的参考曲线进行比较,我们可以确定汗液的pH值以及肌肉的疲劳程度。”

 

基于MXene-水凝胶的传感器,可通过蓝牙与智能设备连接以获取读数。随着技术的进步,它将为需要实时监测身体性能的运动员发挥更大价值。Husam Alshareef称,目前最大的挑战是传感器的长期稳定性,未来的实验中,他们将考虑调整MXene-水凝胶成分构成及传感器设计方法,不断提升其工作稳定性。

 

相关论文:

http://dx.doi.org/10.1002/smtd.202100819

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