纳米银线/改性PVA纤维复合抗菌材料的制备及传感性能研究

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可拉伸的应变传感材料因其优异的柔性在电子皮肤、人体健康与人体检测等方面应用甚广。通常与人体和生物体相接触并长期使用的可穿戴设备和生物电子产品需要具有优异的皮肤亲和性、机械柔顺性和抗菌性能。然而,随着越来越多的商业聚合物薄膜被用作构建各种电子产品的基板/基体,造成了电子垃圾的堆积污染,同时人们也对这无处不在的电子垃圾引起的环境污染提出了严重关切。材料的可降解性和一次性使用性对可穿戴设备和生物电子学的未来可持续性非常重要,这意味着材料的柔韧性和可拉伸性对于皮肤上的设备至关重要,同时实现其降解回收也不可或缺。此外,抗菌性能对皮肤接触设备也很重要,以满足长期的生物安全和环保要求。所以,在一种材料上实现具有上述优点的多功能电子平台仍然具有挑战性。本文通过静电纺丝和喷涂技术制备了一种复合抗菌材料,并研究了其传感性能。主要研究内容如下。首先,利用端氨基超支化聚合物(HBP-NH2)对聚乙烯醇(PVA)进行改性(MPVA),并探究MPVA的静电纺丝工艺。研究结果表明,当电压为15kV,纺丝液浓度为120 mg ml-1,流速为0.1 mlh-1,接收距离为20 cm时,MPVA纤维的形貌较优。与纯PVA纤维膜(断裂伸长率~83%,断裂强度~10.2MPa)相比,MPVA纤维膜表现出更高的断裂伸长率(~123%)和更低的拉伸应力(2.4MPa)。同时MPVA纤维膜在50%应变下具有良好的拉伸循环特性,这也满足人类皮肤的形变需求。然后,通过HBP-NH2对银离子的捕捉和还原,可以成功引入纳米银颗粒(AgNPs),赋予柔性基底材料抗菌性能。当还原的硝酸银浓度为4mM时,MPVA/AgNPs纤维膜具有较好地柔性和回复性,且满足人类皮肤发生形变的范围(~50%)。由于对纳米银有良好封装作用,MPVA/AgNPs纤维膜对大肠杆菌和金黄葡萄球菌均具有良好的抑制作用,抑菌率可达99%以上。另外该纤维膜可以很容易地溶解在水中并通过静电纺丝进行再生,对环境友好,且再生MPVA/AgNPs纤维膜依然具有良好的形貌特征和优异的抗菌效果。最后使用导电性优异的纳米银线(AgNWs)并采用喷涂法构建导电网络,组装AgNWs/MPVA/AgNPs 传感材料。发现当 AgNWs 含量为 111.1 μgcm-2 时,AgNWs/MPVA/AgNPs传感材料在不同应变条件下均具有良好的循环电阻响应能力,且材料在拉伸过程出现的电阻响应和拉伸应变之间建立了良好的线性关系,相关系数(R2)高达0.995。此外,在AgNWs含量相同时,喷涂过程中对纤维膜施加预张力,由于纤维膜自身良好的回复性,张力消除后,有利于形成更加紧密的AgNWs导电网络,AgNWs/MPVA/AgNPs传感材料在不同应变条件下循环电阻响应性能更加稳定,灵敏度也有所提高。该传感材料通过电阻变化可以用来监测人体手指和腕关节的弯曲-伸直活动,表现出良好的弯曲重复性。
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