英國利用「食材」 研發健康監測器

石墨烯奈米複合材料具有柔性的電敏感特性，有潛力用於製作可穿戴的電子皮膚設備，以實現高精度、生物力學和生命徵象測量。但多數石墨烯奈米複合材料在製作過程中，需要用到對人體有害的化學溶劑，導致有些產品無法應用於醫療或人體上。此外，用於人體的石墨烯奈米複合材料，還需滿足高靈敏度、低機械剛性的要求。

英國兩所大學研發以石墨烯、海藻製作健康監測器。圖為丹麥餐廳推出海藻創意料理。（Sergei Gapon/AFP）

英國倫敦大學瑪莉皇后學院（Queen Mary University of London）和薩塞克斯大學（University of Sussex）開發一款符合這些要求的石墨烯奈米複合材料，由石墨烯、海藻和海鹽組成，具有生物降解的特點。

靈感來自米其林餐廳美食

研發的靈感來自米其林餐廳美食膠囊果凍，這種美食被食品和酒店行業稱之「食品魚子醬」。膠囊果凍的外面是含有固體海藻的覆盆子層，裡面是液體果醬芯。

受這種果凍的啟發，研究人員將石墨烯添加到棕色海藻衍生物中進行球化。其內餡是液體石墨烯芯，被一層固體海藻與石墨烯凝膠包裹，產生了可食用、可生物降解的膠囊。

製作這種膠囊要先將石墨分離成長度約290奈米（nm）、厚度只有1~6層原子大小的石墨烯，再將海藻酸鈉混合到石墨烯懸浮液中。

研究人員透過逐滴法，快速將這些材料滴進含有氯化鈣的溶液當中進行固化，讓它的外殼含有一層凝膠塗層，最後形成直徑約2.5mm的獨立球形膠囊，它們的外表均勻、光滑。

海藻示意圖。（123RF）

微膠囊可做應變感應器

對膠囊進行機械和導電性能測試時，研究人員發現，膠囊能夠導電，而導電性強弱與膠囊外殼中的石墨烯含量有關，但差異不大。膠囊承受不同壓力時會產生不同的電阻，壓力增大，電阻也會增加，這種現象使得這種材料變成一種潛在的應變感應器。

研究發現，這與液體中的奈米石墨烯之間的堆疊有關，壓力越大堆疊越多，導致電阻增加，壓力小則電阻下降。膠囊的直徑大小和外殼厚度也會影響電阻性能。當直徑小於2.5mm、外殼厚度為650μm時，電阻大約在2.6MΩ；若直徑為4.5mm左右、外殼厚度300μm，電阻降至1MΩ。

以上這些特性，突顯膠囊對壓力非常靈敏，當它們受到擠壓或壓縮時，電氣特性會發生巨大變化，這也意味著它們可以用做高效應變感應器。

烹飪藝術結合奈米技術

研究人員製作不同大小和外殼厚度的膠囊，放置在特殊的基板上進行封裝，形成電子皮膚結構。

他們將電子皮膚貼在人體上進行實驗，發現這種設備不僅是一種高度靈敏的診斷工具，還能夠精準測量和記錄人體的肌肉運動、呼吸和脈搏變化。甚至能透過電阻變化，測量人體血壓的變化，與他們當初設想的一樣。

除此之外，這種電子皮膚只需將外部的板層用溫水清潔，就能輕易分離出裡面的銀金屬線和膠囊，進行回收再利用。

這項研究成果已發表在《先進功能材料》雜誌上。

倫敦瑪麗女王大學材料博士迪米特里奧斯‧帕帕吉奧（Dimitrios Papageorgiou）表示，透過烹飪藝術與尖端奈米技術的突破性融合，不僅創造出海藻-石墨烯微膠囊的非凡特性，還提供了用於高精度健康診斷的奈米複合材料可穿戴技術，同時該產品可被回收和生物降解。◇