Figur 1. a) Schematisk bild som visar utformningen av muskeltrötthetssensorn baserat på Ti3 C2 Tx MXene-PVA/PAA hydrogel (M-hydrogel). b) Effekt av applicerad axiell töjning på motståndet hos M-hydrogelen (ΔR/R0 ). c) Variation av den elektriska resistansen hos M-hydrogelen med pH; pH-värdet kontrollerades genom att ändra sammansättningen av PBS-lösningen. d) Tidsberoende förändring av motståndet hos M-hydrogelen som en funktion av pH i miljön. Plötsliga förändringar i M-hydrogelresistens observeras vid dropp i PBS-lösningar med olika pH-värden. e) Fotobild som visar den experimentella uppställningen för att mäta motståndet hos M-hydrogelen under applicerad belastning vid olika pH-förhållanden. f) Icke-linjär förändring i M-hydrogelbeständighet under applicerad spänning vid låga pH-förhållanden. När jonströmmen dominerar får vi olinjäritet i ΔR kontra töjning. Kredit:DOI:10.1002/smtd.202100819
Ultratunna nanomaterial, kända som MXenes, är redo att göra det lättare att övervaka en persons välbefinnande genom att analysera deras svett.
Medan de delar en liknande tvådimensionell natur som grafen, är MXener sammansatta av giftfria metaller, såsom titan, i kombination med kol- eller kväveatomer. Med naturligt hög ledningsförmåga och starka ytladdningar är MXener attraktiva kandidater för biosensorer som kan upptäcka små förändringar i kemiska koncentrationer.
Under 2019 utvecklade Husam Alshareefs grupp en MXene kompositelektrod, som de innesluten i en bärbar armbandssensor. Enheten, som hade en modulär design som använde MXene-inlägg laddade med lämpliga enzymer, kunde absorbera svett och detektera flera analyter i mänsklig svett, inklusive glukos och mjölksyra.
Alshareef och hans kollegor, i samarbete med Sahika Inals forskargrupp, försökte nyligen kombinera MXene-ark med hydrogeler - vattenfyllda polymerer som är kompatibla med mänsklig vävnad eftersom de kan sträcka sig. Intressant nog fann teamet att höga nivåer av mobila joner i hydrogelen producerade stark känslighet för den mekaniska påfrestning som uppstår under träning.
"Inledningsvis är MXene-arken slumpmässigt orienterade i hydrogelen, men när du väl trycker på dem blir arken mer horisontellt orienterade", förklarar Alshareef. "Eftersom MXener har en hög koncentration av negativa laddningar på sina ytor, påverkar horisontella arrangemang starkt jonrörelser i hydrogelen, och därmed kan vi mäta olika nivåer av tryckförändringar."
En prototyp av bärbar sensor, utvecklad med den nya MXene-hydrogel-föreningen, kunde spåra muskelrörelser genom att producera distinkta elektriska motståndsmönster när mekanisk stress ökade. Dessa mönster förändrades i sin tur omedelbart när sensorn exponerades för ytterligare joner i form av sura eller basiska lösningar.
Detta fick KAUST-teamet att inse att deras enhet kunde användas för att korrelera pH-förändringar i svett med trötthetsinducerande syrauppbyggnader i muskelceller.
"När vi tränar och våra muskler blir trötta, ser sensorn den nya kemiska miljön och producerar olika elektriska motstånd kontra stresskurvor", säger Kang Lee, en före detta KAUST postdoc och huvudförfattare till studien. "Genom att jämföra dessa kurvor med referenskurvor för en given sensor kan vi bestämma svettens pH och hur trött muskeln är."
Med Bluetooth-anslutning till närliggande digitala enheter kan den MXene-baserade sensorn visa sig vara värdefull för idrottare som letar efter prestationsmätningar i realtid när tekniken är optimerad. "Den allvarligaste utmaningen är sensorns långsiktiga stabilitet, så vi tittar på att ändra kompositioner och design i framtida experiment", säger Alshareef. + Utforska vidare
