隨著人工智能的快速發展,對能夠模擬人體器官功能的仿生電子設備的需求日益增加。其中,可將壓力、溫度和濕度等外部刺激轉化為電信號的水凝膠柔性傳感器是目前研究的熱點。然而,水凝膠較差的拉伸性和粘附性嚴重限制了其在可穿戴電子器件中的應用;此外,良好生物相容性使其作為傷口敷料在繼發性損傷、組織液滲漏、傷口感染和潰瘍等方面的應用也受到廣泛關注。
為了實現人體生理活動監測同時促進傷口愈合,南京工業大學董曉臣教授團隊通過原位聚合工藝制備了高拉伸性、強韌性和高粘附性的雙層復合水凝膠,實現了水凝膠柔性應變傳感和傷口敷料的雙重功能。其中,雙層結構中的堅韌層主要基于十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)/甲基丙烯酸十八酯(SMA)的疏水締合作用及聚丙烯酰胺(PAM)與纖維素納米纖維(CNFs)鏈之間形成的大量氫鍵,具有優異的拉伸性和韌性;CNFs@TA懸浮液、丙烯酸(AA)和生物大分子混合溶液在堅韌層水凝膠頂部原位聚合形成粘附層。由于水凝膠的多孔網絡結構,粘附層前驅體可以滲透到堅韌層的表層,形成互鎖網絡結構,這種互鎖結構可以將雙層網絡緊密地連接在一起,有效地避免劇烈變形下的層間相對滑移;而高導電性的堅韌層保障了傳感器優異的機械性能和傳感性能,粘附層可以共形貼合人體皮膚、增強傳感靈敏度和穩定性。得益于雙層結構的協同效應,復合水凝膠呈現出高拉伸性(>3600%)、高韌性(>200kPa)、高粘附性和優異的傳感特性。同時,水凝膠中含有的單寧酸和脯氨酸生物大分子可有效抑制細菌生長并促進傷口愈合。
圖1. 雙層復合水凝膠的制備方法及合成機理
圖2. 雙層復合水凝膠傳感器對人體運動的實時檢測
由于高拉伸性、韌性和強粘附性,雙層復合水凝膠傳感器可以粘附在人體皮膚上,實現不同幅度人體運動識別和生理信號檢測(圖2)。例如,可以精確監測手臂、手腕彎曲和抬頭等大幅度人體運動,也可以準確識別手指彎曲、張嘴和微笑等小幅度人體運動,在肢體控制和微表情識別等方面有很好的應用前景。
圖3. 雙層復合水凝膠抑制細菌生長和促進傷口愈合測試 (a)粘附層水凝膠抑制細菌生長。(b)不同組的ICR小鼠傷口隨時間變化照片。(c)傷口愈合率的統計結果。(d)ICR小鼠傷口第12天的組織切片。(e)傷口敷料促進愈合過程的示意圖。
在水凝膠雙層結構中引入生物大分子,其作為創口敷料可以明顯抑制細菌生長并促進傷口愈合(圖3)。在傷口愈合過程中,雙層復合水凝膠中的粘附層可以緊緊地貼附在傷口表面,迅速吸收組織滲出液,促進傷口愈合;同時,機械強度高的堅韌層可以抵抗傷口張力,避免傷口二次損傷。隨著單寧酸和脯氨酸的緩慢釋放,雙層復合水凝膠在抑制細菌感染和促進傷口快速愈合方面也表現出顯著優勢。
相關成果以“Skin-inspired Highly Stretchable, Tough and Adhesive Hydrogels for Tissue-attached Sensor”為題發表在Chemical Engineering Journal(IF=13.273)。該論文第一作者為南京工業大學碩士生曲心宇,通訊作者為南京工業大學董曉臣教授、邵進軍副教授和王倩副教授。該工作得到了國家自然科學基金(61775095)、江蘇省政策引導類計劃(BZ2019014)和山東省“泰山學者”建設專項資金支持。
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131523
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