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研究背景与目的在过去的几十年里,能够响应外界刺激的智能软材料（聚合物、凝胶、流体等）由于具有高机械柔韧性和高生物相容性,在致动器、人工肌肉、医疗机器人、生物传感器和智能药物递送系统等研究领域得到了广泛的关注。电活性聚合物（Electroactive polymers,EAPs）作为一种新兴的智能软材料,由于其具有良好的柔韧性、优异的形变能力、低电压响应、响应速度快等优点,已成为软致动器和药物载体的优先研究对象。尽管EAPs在生物医学领域具有巨大的应用潜力,但其通常由于刚性和不便的供能设备,严重限制了它们的灵活性和适用性。并且废电池还会引起环境问题和潜在的安全问题。因此,发展安全、可持续、可穿戴的能量收集技术并将其应用于智能软材料的电能供给具有重要意义。而人体汗液作为一种重要的、易于获取的体液,因含有丰富的化学物质,包括离子、葡萄糖、乳酸等,被认为是理想的可用于未来便携式智能电子设备的可持续的生物能源,并且其已被用于传感器、可穿戴电子设备和电子皮肤等电能的供给,这为智能软材料的能量供给提供了新的研究方向。这种生物能驱动的智能软材料将为开发性价比高、可控性强的智能系统奠定基础,并且在软体机器人、仿生智能软材料、医疗器械等许多领域具有潜在的应用前景。基于以上背景,我们设计了一种基于智能软材料的具有电响应性和仿生功能的智能柔性致动器,用来模拟人体肌肉运动,为后续在生物医疗方面的应用奠定基础。同时为了解决电响应智能软材料的电能供给问题,设计了一种从人体汗液中收集能量并转换成电能,且具有高输出功率的可穿戴汗液发电机。在此基础上,进一步探索了基于汗液能的智能软材料在生物医疗中更广泛的应用前景,制备一种电控药物贴片,与汗液发电机集成进行药物的控释以实现按需给药。最后,我们依靠人体汗液能转化的电能实现智能可穿戴系统的能量供给,并将其与致动器、肌电信号传感器（EMG）及电控药物贴片结合,拟通过构建监测-诊断-治疗的闭环模式,主动精准地递送药物,实现按需给药闭环治疗,并初步探索其同时进行监测和治疗的可行性,为疾病的个性化管理与精准治疗提供新模式。研究方法1软致动器的制备表征及性能测试1.1电解质层的制备及筛选:从常规电解质研究中选取具有广泛应用的壳聚糖和PVDF（HFP）,并掺杂以不同的化合物制备成薄膜。通过比较它们之间的性能差别,确定最后用于软致动器电解质层的电活性聚合物。1.2导电层的制备:PEDOT:PSS的分散液中掺入离子液体搅拌均匀,在石墨板上加热观察成膜情况。1.3软致动器的组装:PVDF（HFP）膜被两层PEDOT:PSS膜夹在中间构成三明治结构。1.4通过光学成像和场发射扫描电子显微镜（SEM）对软致动器进行外观及结构表征。1.5在直流或交流电场下验证软致动器的弯曲性能、耐疲劳性和寿命进行。2汗液发电机的制备表征及性能测试2.1根据原电池的制备原理及可穿戴性,选出合适的电极和基底。2.2对常规汗液发电机进行电极表面优化,提升其电压和电流输出性能。2.3通过光学成像和SEM对汗液发电机进行外观及结构表征。2.4使用UT39B万能表及不同的电子设备验证汗液发电机的输出功率和输出稳定性。3探究基于汗液能的智能软材料与生物传感集成在疾病治疗中的可行性3.1软致动器被设计组装成抓手和十字架结构,在汗液发电机的驱动下,探究其进行抓取重物和模仿花绽开的可行性。3.2设计可以进行透皮给药的电控药物贴片,在汗液发电机的驱动下,探究电控药物贴片进行可控给药的可行性。3.3基于汗液能的软致动器、电控药物贴片、肌电信号传感器进行集成开发具有监测和治疗的自供电可穿戴医疗设备。实验结果1软致动器具有良好的导电性及电致变形能力1.1由夹在两层PEDOT:PSS导电聚合物膜中间的PVDF（HFP）膜构成的软致动器具有良好的柔韧性和导电性。1.2软致动器的驱动电压最小为1.0 V。当施加直流电压为4.0 V时,智能软材料最大偏转角度为32.3°。1.3在交流电场下,可以连续进行弯曲循环超过70个周期。1.4在使用30天后性能几乎没有损失,性能还可以保持在90%以上。2汗液发电机优化后具有优异的电输出性能,并为多种电子设备进行供电2.1单个直径10 cm的优化的汗液发电机（Optimized sweat generator,OSEG）加上0.8 m L的汗液可以产生约0.8 V的输出电压和7.1 m A的输出电流。2.2单个直径5 cm的OSEG在负载为0.3 kΩ、少量汗液（0.2 m L）的情况下,最大功率密度可达18.3μW cm-2。2.3制备的OSEG可产生足够的电能直接驱动电子表、湿度计、计算器、LED灯和肌电图传感器,并为手机充电。3基于汗液能的智能软材料与生物传感器集成可穿戴医疗设备3.1两个条形的软致动器与OSEG集成可用于抓取微小物体。3.2十字架结构的软致动器与OSEG集成可以仿生花朵的合拢与绽放。3.3基于汗液能的电控药物贴片可以进行阳离子模型药物（R6G和MB）的电控释放。3.4可穿戴汗液发电机驱动软致动器弯曲、电控药物贴片释药和EMG监测肌电信号具有可行性。结论1设计制备了一种具有柔韧性、导电性、耐疲劳性和长寿命的软致动器。在电场的作用下它可以进行自由弯曲、抓取超过自身重量的物体、仿生花朵的绽放。2设计制备了一种由锌箔为负极,沉积单壁碳纳米管的铜箔为正极的汗液发电机,它具有较高的稳定输出电压和电流,可以为多种电子设备进行供电。3设计制备了一种基于水凝胶的阳离子电控药物贴片,可以通过电刺激进行控制释药量。4初步探索了基于汗液能的智能软材料与生物传感器进行集成对疾病实现监测和治疗为一体的可行性。