一種具有多重氫鍵的皮膚友好型導(dǎo)電水凝膠

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，受氫鍵具有溫度可逆性的啟發(fā)，西北大學(xué)惠俊峰教授、范代娣教授和南京工業(yè)大學(xué)霍峰蔚教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用生物相容性聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）、植酸（phytic acid，PA）和明膠（gelatin，Gel），開(kāi)發(fā)了一種具有多重氫鍵的皮膚友好型導(dǎo)電水凝膠。所獲得的PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠具有溫度觸發(fā)可調(diào)機(jī)制，能夠在熱敷下可靠地粘附在皮膚上并檢測(cè)電生理信號(hào)，同時(shí)在冷敷下很容易去除。此外，PPG水凝膠的透明性、透氣性和抗菌活性等額外優(yōu)勢(shì)確保了其在皮膚上的長(zhǎng)期可穿戴價(jià)值。生產(chǎn)過(guò)程中廢棄的PPG水凝膠可以基于可逆氫鍵鍵合原理進(jìn)行回收利用，既環(huán)保又節(jié)約成本。在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，PPG水凝膠傳感器有望在記錄電生理信號(hào)方面具有良好的應(yīng)用前景。

柔性電子設(shè)備通過(guò)檢測(cè)各種重要信號(hào)，包括物理信號(hào)（如應(yīng)變和運(yùn)動(dòng)）和電生理信號(hào)【如心電圖（electrocardiogram，ECG）、腦電圖（electroencephalography，EEG）和肌電圖（electromyogram，EMG）信號(hào)】，在人類健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療診斷中發(fā)揮著重要作用?？纱┐餍允俏磥?lái)柔性電子發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。水凝膠具有類似組織的柔軟性，同時(shí)又具有韌性和可拉伸性，為生物植入、組織再生和電子皮膚設(shè)備提供了平臺(tái)?；谒z的離子皮膚可以減少電子-離子界面電阻和運(yùn)動(dòng)偽影，以獲得更準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，為自然生物和人工設(shè)備之間的交互信息傳輸鋪平道路。然而，這種傳感器的粘附性通常不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。如果與皮膚的粘附力太弱，傳感器將在身體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任意移動(dòng)，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影、噪聲數(shù)據(jù)和隨后的誤診；如果與皮膚的粘附力太強(qiáng)，傳感器在移除時(shí)可能會(huì)對(duì)用戶造成炎癥、刺激和疼痛。因此，需要設(shè)計(jì)新一代基于水凝膠的皮膚粘合劑以滿足當(dāng)前需求。

為此，人們?cè)谡{(diào)節(jié)裝置與皮膚之間粘附力方面已經(jīng)做了諸多努力。水凝膠粘合劑很受關(guān)注，因?yàn)樗恼掣叫钥梢酝ㄟ^(guò)在互補(bǔ)官能團(tuán)（碳-碳、碳-氮、硅氧烷、酰胺等）和物理相互作用（如離子鍵、氫鍵、主客體相互作用和范德華相互作用）的幫助下改變化學(xué)組成和表面基團(tuán)來(lái)定制。一種有效的策略是通過(guò)分離觸發(fā)器去除強(qiáng)粘附力，實(shí)現(xiàn)按需分離水凝膠。然而，人們已經(jīng)意識(shí)到使用化學(xué)試劑觸發(fā)器所存在的問(wèn)題。一方面，額外的化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)造成皮膚損傷；另一方面，皮膚分泌的代謝物可能成為潛在的觸發(fā)器，導(dǎo)致水凝膠分離及功能失調(diào)。物理誘導(dǎo)的可分離【近紅外（near-infrared，NIR）、紫外（ultraviolet，UV）和溫度】水凝膠可以避免這些問(wèn)題，因此引起了廣泛關(guān)注。其中，溫控水凝膠對(duì)用戶來(lái)說(shuō)很方便，因?yàn)樗鼈兛梢杂扇梭w溫度觸發(fā)，而無(wú)需額外的化學(xué)物質(zhì)或裝置。研究人員設(shè)計(jì)了一種溫度觸發(fā)的按需剝離貼紙，可在26至32℃之間提供高粘附性?，同時(shí)在冷卻至低于21℃的溫度后，可將其剝離。受章魚(yú)吸盤的肌肉驅(qū)動(dòng)粘附機(jī)制的啟發(fā)，有人制備了一種具有溫度觸發(fā)的皮膚粘合水凝膠貼片，在20℃和37℃下具有不同的皮膚錨定強(qiáng)度。眾所周知，環(huán)境溫度在冬季通常低于20℃，夏季高于40℃，這意味著水凝膠的粘附性在日常生活中不穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)一步改善。一種流行的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)計(jì)一種機(jī)械性能可調(diào)的水凝膠粘合劑。

受氫鍵具有溫度可逆性的啟發(fā)，生物相容性聚乙烯醇（PVA）和明膠（Gel）已被用于構(gòu)建氫鍵交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，植物中的植酸（PA）通過(guò)形成多重氫鍵來(lái)加強(qiáng)PVA-Gel水凝膠網(wǎng)絡(luò)并充當(dāng)質(zhì)子供體以提高水凝膠電導(dǎo)率。西北大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)的研究人員提出了一種簡(jiǎn)便的策略，以制備溫度觸發(fā)的粘附性在4℃到55℃之間的皮膚友好型水凝膠。得益于氫鍵和離子鍵的可逆性，PVA/PA/Gel（PPG）水凝膠可以避免在剝離過(guò)程中對(duì)皮膚造成傷害。具體而言，弱氫鍵將通過(guò)約55℃的熱敷被破壞，使PPG水凝膠粘附并保持附著在皮膚上，以便在靜止和運(yùn)動(dòng)期間檢測(cè)具有較少運(yùn)動(dòng)偽影的電生理信號(hào)。所獲得的粘附性可以一直保持，直到冷敷才得以觸發(fā)氫鍵重整。這種策略使PPG水凝膠能夠用于監(jiān)測(cè)人類健康，因?yàn)樗哂辛己玫耐该鞫?、自適應(yīng)性、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，通過(guò)可逆離子鍵和氫鍵交聯(lián)，生產(chǎn)過(guò)程中廢棄的PPG水凝膠可以回收利用，以減少資源浪費(fèi)、生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。

PPG水凝膠機(jī)理示意圖

由于生物相容性水凝膠通常為細(xì)菌提供了合適的生存環(huán)境，因此將水凝膠直接粘貼在皮膚上意味著將細(xì)菌接種在皮膚上，這會(huì)帶來(lái)細(xì)菌感染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究水凝膠材料的抗菌性能至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。由于PA具有較強(qiáng)的螯合金屬離子和蛋白質(zhì)的能力，可作用于細(xì)菌細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞壁合成受到抑制、細(xì)胞膜受損以及大量細(xì)菌死亡。因此，富含PA的PPG水凝膠具有良好的抗菌效果。

PPG水凝膠的生物相容性

為了評(píng)估其靈敏度和響應(yīng)，將PPG水凝膠作為可穿戴傳感器附著在志愿者的手指關(guān)節(jié)上，以收集電生理信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PPG水凝膠的傳感器具有高靈敏度和快速響應(yīng)，滿足人體監(jiān)護(hù)儀的要求。

PPG水凝膠的電性能

研究人員還組裝了一個(gè)基于PPG水凝膠的便攜式傳感器，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備實(shí)時(shí)追蹤人體的電生理信號(hào)，無(wú)需任何笨重的附屬設(shè)備，就能清晰地輸出規(guī)律的心跳信號(hào)。與商用貼片相比，PPG水凝膠還具有適應(yīng)能力強(qiáng)、與人體皮膚緊密貼合的特點(diǎn)，有利于實(shí)時(shí)記錄有效信號(hào)并連續(xù)診斷健康狀況。

PPG水凝膠作為心電圖檢測(cè)的傳感器貼片

總之，作為一種安全舒適的皮膚貼片，由生物相容性PVA和PA構(gòu)成的PPG水凝膠具有良好的透明度、透氣性、保水性和抗菌活性。此外，自適應(yīng)、自愈和導(dǎo)電性有效地控制了水凝膠與皮膚之間的高生物電阻抗，使PPG水凝膠能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中收集電生理信號(hào)。當(dāng)用作心電圖診斷的電極時(shí)，PPG水凝膠可以重復(fù)使用，并在志愿者休息、行走和深呼吸時(shí)提供穩(wěn)定的電生理信號(hào)。此外，PPG水凝膠具有良好的再成型性和可重復(fù)使用性，使廢料可以重復(fù)使用，從而滿足環(huán)保要求。因此，PPG水凝膠作為傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)中被認(rèn)為具有良好的應(yīng)用前景。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00193-5

審核編輯 ：李倩