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南京大學薛斌/曹毅/王煒團隊 Nat. Commun.: 仿生自適應脂質層增強水凝膠傳感器動態保水能力

2024-12-05 來源：高分子科技

近年來，基于水凝膠的柔性傳感器在醫用器材和智能機器人等領域有著廣泛的應用，但其性能常因水分的快速蒸發而受到影響，導致傳感靈敏度和機械耐久度的下降。盡管各研究團隊取得了顯著的進展，如引入有機溶劑、電解質和彈性體復合材料，但仍存在導電性下降、界面錯位以及動態條件下對凝膠內部水分保護不足的問題。

圖1 自適應脂質整合涂層（ALIBC）及其保水機制示意圖。

為解決上述問題，南京大學薛斌/曹毅/王煒團隊受到細胞膜結構的啟發，開發了一種自適應性脂質整合涂層（ALIBC），以增強水凝膠傳感器的保水性。脂質層和長鏈兩親性分子作為致密嵌入涂層和錨定劑，模仿細胞膜中的脂質和膜蛋白的作用，同時水凝膠內的備用脂質可以遷移至表面，防止動態條件下的脫水。該涂層能夠有效防止水凝膠在靜態和動態狀態下的水分蒸發，同時不影響其固有的柔性、導電性和細胞相容性。帶有ALIBC的水凝膠傳感器在長期動態傳感條件下表現出顯著的性能提升。這項工作為精確控制水凝膠基傳感器的保水性而不影響其本征特性提供了一種通用方法。該工作以“Bioinspired Adaptive Lipid-Integrated Bilayer Coating for Enhancing Dynamic Water Retention in Hydrogel-Based Flexible Sensors”為題發表在《Nature Communications》上。文章第一作者為南京大學博士生柏鳴，通訊作者為南京大學薛斌副教授，曹毅教授和王煒教授。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃和等項目的支持。

圖2 ALIBC中的流體鑲嵌結構和脂質遷移。

圖3 帶有ALIBC的水凝膠在靜態和動態條件下的保水性

圖4 帶有不同ALIBC涂層的水凝膠的力學特性

圖5 ALIBC水凝膠基傳感器的長期傳感性能

借鑒細胞膜流體鑲嵌模型的理念，作者提出了一種通用的水凝膠保水策略，該策略能夠在不損害其固有機械性能、導電性和生物相容性的前提下，顯著提升水凝膠在靜態和動態下的保水能力。具體而言，作者在水凝膠表面引入了共價鍵合的疏水UA分子，形成初步的保水層，并作為后續脂質雙分子層的錨定結構。嵌入長鏈UA的動態脂質分子進一步構建自適應型脂質整合涂層（ALIBC），從而增強了水凝膠保水性。通過對不同水凝膠表面進行激光共聚焦拉曼成像，觀察到類似細胞膜的流體鑲嵌型結構。作者對水凝膠表面以及內部磷脂進行熒光標記，應變下凝膠內部可以觀察到磷脂的動態遷移，因此即使在長期的動態循環中，水凝膠的保水性能也能通過內部備用脂質的遷移實現自修復，在48小時的靜態條件和動態負載循環中，分別保持了49.3%和47.3%的水分，確保了基于ALIBC的水凝膠傳感器在動態條件下的長期穩定性。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54879-7#Sec18

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（責任編輯：xu）

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