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南科大劉吉/江西科技師大盧寶陽 AFM：3D打印植入式水凝膠生物電子

2023-12-23 來源：高分子科技

生物電子器件在生理環境中能夠維持穩定的電學/力學性質，并具有與生物組織類似的機械順應性，對于構筑穩定高效的生物電子界面是至關重要的。導電聚合物（如聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS））水凝膠，因具優異的柔性、導電性和生物相容性，可以最大限度地減少組織-生物電子的界面力學和電化學失配，對醫療保健監測、診斷及治療具有廣泛的意義。然而，常規的制造手段難以制造出具有高分辨率和復雜幾何結構的PEDOT:PSS生物電子器件，無法滿足復雜生物環境對高性能生物電子的需求。此外，PEDOT:PSS的水凝膠電子與生物組織之間的界面結合力弱，長期植入存在器件移位甚至脫落等風險，導致電生理記錄或者電刺激的失效等問題。

近日，南方科技大學劉吉教授團隊與江西科技師范大學盧寶陽教授團隊合作在《Advanced Functional Materials》上發表文章《3D Printed Implantable Hydrogel Bioelectronics for Electrophysiological Monitoring and Electrical Modulation》，開發了基于PEDOT：PSS的生物墨水，實現了PEDOT：PSS生物墨水的高精度3D打印，所制備的生物電子具有與生物組織匹配的力學和電學性質，與體內生物組組/器官形成穩定的電交互界面，可用于體內電生理信號的長期監測以及某些疾病的電調控治療。

圖1. 用于生物界面的3D打印水凝膠電子器件設計

該團隊開發了一種由導電聚合物PEDOT:PSS與其他生物醫用高分子（如：聚乙烯醇、殼聚糖等）以及具有生物粘附功能的聚丙烯酸類高分子組成的生物墨水，實現了此類生物墨水的高精度3D打印，制備出具有高分辨率和復雜精細結構的生物電子（圖2）。這類生物電子具有與生物組織相近的模量，可實現與生物組織快速且高韌性的生物粘附（界面韌性超過200 J m^-2，剪切強度高達120 kPa），如此優異的粘附性能確保了生物電子與體內動態器官的穩定電學交互。

圖2. 3D打印水凝膠生物電子及其力學/電學性能研究

該團隊進一步結合多材料3D打印技術制造出具有16通路的全水凝膠生物電子，并將其應用至大鼠心臟表面，實現了體內心電信號的長期穩定監測以及心臟電傳導特性的時空映射，并成功監測出患病大鼠（心梗模型）的異常心電信號；通過電生理信號的時空映射，這類生物電子可精確定位出異常心電傳導區域，并給予電刺激治療，實現病變區域的精準電學調控（圖3）。綜上所述，此項研究通過多材料3D打印技術制造出具有高分辨率和復雜精細結構的生物電子，能夠滿足體內復雜生理環境對生物電子的要求，實現與生物組織軟的機械耦合及高效的電學交互，為下一代生物電子技術提供了技術支持。

圖3. 水凝膠生物電子用于體內電生理記錄及電調控治療

江西科技師范大學碩士生王福成，南方科技大學博士生薛羽和陳興梅為論文共同第一作者，盧寶陽教授和劉吉副教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、江西省柔性電子重點實驗室、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。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202314471

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南方科技大學劉吉課題組招聘博士后和研究助理，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50余篇。先后獲得國家級青年人才項目(2020)、《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/

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（責任編輯：xu）

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