从皮革到下一代亲肤型电子皮肤：基于胶原结构层次的多功能传感新策略

《Collagen and Leather》：From leather to the next-generation skin-friendly e-skin

语 为解决电子皮肤（e-skin）长期佩戴透气性差、多模态传感器集成困难等问题，研究人员以皮革的胶原层级结构为基础，开发了兼具高水蒸气渗透性、生物相容性及多功能传感能力的亲肤型电子皮肤。该研究通过利用皮革的可逆跨尺度变形特性，实现了微结构传感器的原位构建，为皮革产业从传统制造向尖端创新转型提供了新路径。

　　

论文解读

皮肤作为人体最大的器官，不仅是物理屏障，更是能感知压力、温度等外界刺激的智能界面。然而，当前主流的电子皮肤（e-skin）多以合成聚合物为基底，虽具备柔韧性，却因水蒸气渗透性差导致长期佩戴舒适度不足，汗液积累还可能损害传感器性能。此外，在有限空间内集成多模态传感器需复杂微加工工艺，成本高且难以规模化。

针对这些挑战，郑万等人提出以皮革这一天然胶原蛋白材料为核心，开发下一代亲肤型电子皮肤。皮革源于动物皮，其胶原成分与人体皮肤相似，赋予其优异的生物相容性和透气性。更重要的是，皮革保留了胶原从纳米到宏观尺度的层级纤维网络结构，能够通过可逆的跨尺度变形行为，为高灵敏度微结构传感器的原位构建提供理想平台。相关成果发表于《Collagen and Leather》，为皮革产业升级和电子皮肤技术革新提供了新思路。

关键技术方法

研究团队通过酸处理碳纳米管（CNTs）过滤加载至皮革层级结构，构建导电皮革基底；利用皮革的三维纤维网络空间分布特性，调控传感器图案与布局；结合二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒沉积与聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层技术，实现超疏水、隔热等功能化改性；以皮革为天然介电基质，通过金属纳米颗粒（如Cu、Ag）或碳纳米管复合增强电磁屏蔽性能。

研究结果

1. 皮革基电子皮肤的传感性能

Zou等人通过简单过滤法将酸处理碳纳米管负载于皮革纤维网络中，制备出具有压阻传感功能的电子皮肤。该器件灵敏度高、响应快，可精准监测腕部脉搏信号。

2. 跨尺度变形与耐用性

Ke团队利用皮革层级结构的可逆变形特性，开发出可同时监测微弱（如喉部肌肉运动）和强烈（如膝关节弯曲）刺激的电子皮肤。其独特的跨尺度三维传感结构使器件在局部刮擦或切割后仍保持稳定性能。

3. 多功能集成与智能化拓展

近期研究进一步实现了应变、温度、湿度及心电信号（ECG）等多模态传感的集成。通过掺杂锆碳量子点等导电组分，皮革基电子皮肤展现出在健康监测与人机交互领域的应用潜力。此外，超疏水、隔热及电磁屏蔽等功能化皮革的开发，为传感与其他穿戴功能的融合提供了可能。例如，TiO₂/PDMS改性皮革通过“磨损触发粗糙度再生”机制实现自修复超疏水性；SiO₂纳米颗粒增孔技术显著提升皮革隔热性能，可用于长效热伪装。

结论与展望

皮革基电子皮肤通过胶原蛋白的天然亲和性与层级结构优势，突破了传统电子皮肤在透气性、集成度和穿戴舒适性方面的局限。未来研究需解决皮革拉伸性有限及极端环境下蛋白质耐久性等问题。通过开发可规模化制备的平台技术，推动皮革基电子皮肤向兼具先进传感与其他穿戴功能的智能设备演进，将为皮革工业创新与可穿戴技术发展注入持续动力。