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  水凝膠生物界面粘合韌性主要由兩部分貢獻（Γ = Γ₀ + Γ_D）：水凝膠與組織界面的結合（如化學錨定或物理吸附），為固有韌性（Γ₀ ≈ 1～50 J/m²）；水凝膠內部通過滯后效應來耗散能量，為外在韌性（Γ_D）。通過內部動態鍵等耗散基元的引入來提高外在韌性，能顯著提高水凝膠粘合界面的韌性。現階段高韌性界面的可控剝離可以通過斷裂水凝膠高分子鏈與基底的鍵合，實現無損剝離, 但是依舊存在一些挑戰，包括苛刻的觸發條件（如加熱/降溫、紫外線照射、引入濃縮的金屬離子等）、較長的等待時間等，無法適用于生物組織粘合類應用場合。因此，開發粘合界面高度可控的水凝膠類生物粘合劑，用于構建穩定高效的生物電子界面，能為新興生物電子器件的開發和個性化醫療設備的發展提供強有力的支持。

  近日，南方科技大學劉吉團隊在《Advanced Functional Materials》上發表文章《Trigger-Detachable Hydrogel Adhesives for Bioelectronic Interfaces》，報道了一種刺激響應型水凝膠，用于構建性能高度可調控的生物電子界面。該團隊通過在水凝膠粘合劑內引入動態分子識別（比如苯硼酸與多元醇的絡合），能有效的提高水凝膠的自身高韌性，且能與潮濕的組織表面瞬間發生強力黏附（> 400 J m^-2）。在特定生物相容性刺激下（如噴涂葡糖糖溶液），短時間內（< 3 min）動態鍵等耗散基元迅速解離（Γ_D急劇降低），這類生物界面韌性迅速降低一個數量級以上（Γ = Γ₀ + Γ_D < 30 J m^-2），實現按需解粘附。

 

圖1. 刺激響應型水凝膠生物粘合劑的設計原理及粘附性能測試。

  商業生物電極粘合劑多數采用聚氨酯，丙烯酸酯或硅酮等，在長期使用過程中可能會引發皮膚發癢等不適，且在濕潤組織界面會發生脫落。這類水凝膠粘合劑能夠將商業化肌電電極(EMG)粘附于皮膚表面；與商業化電極相比，這類水凝膠粘合層在運動、出汗狀態下都不會失效。而在生物刺激觸發下，EMG電極很容易從皮膚表面分離，不會造成任何不適。

 

圖2. 刺激響應型水凝膠生物粘合劑用于可穿戴表皮電子產品。

  水凝膠粘合劑在臨床醫學及健康監測領域具有廣泛的應用前景。為了進一步探索其在體內生物電子界面的應用，該團隊利用這類刺激響應型水凝膠粘合劑來構建一類電子器件與兔子動脈血管的生物電子界面，成功的監測到動脈血流涌動的生理信號，如血壓、心率等。這類體內生物電子界面穩健性好，能夠實現快速安裝，刺激響應下快速無損移除，因此降低了血管損傷的風險。同時，剝離產生的殘余物生物相容性高，且能快速生物降解和吸收，無任何副作用。

視頻1. 刺激響應型水凝膠生物粘合劑用于體內動脈血流監測。

  南方科技大學博士生薛羽，博士后張俊和博士生陳興梅為論文共同第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市政府和南方科技大學科研啟動基金，麻省理工學院和南方科技大學機械工程研究與教育中心,深圳市科技創新委員會和廣東省基礎研究和應用基礎研究等基金項目的資助。

 

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106446

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關材料發送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業學校+應聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發表文章40余篇。先后獲得《麻省理工科技評論》中國區 “35歲以下科技創新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/