四川大學(xué)王云兵教授和胡雪豐副研究員團(tuán)隊(duì)近日在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發(fā)表了題為“Highly Stretchable and Conductive Self-Healing Hydrogels for Temperature and Strain Sensing and Chronic Wound Treatment”的研究論文。論文的第一作者為四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心的張婕妤博士,通訊作者為四川大學(xué)胡雪豐副研究員和王云兵教授。論文的合作單位為成都柔電云科科技有限公司和四川大學(xué)華西醫(yī)院骨科寧寧/陳佳麗老師團(tuán)隊(duì)。
近年來(lái),柔性可穿戴生物電子領(lǐng)域發(fā)展迅速。然而用傳統(tǒng)硬質(zhì)電子材料(如硅、金屬等·)制成的電子設(shè)備通常難以與柔性生物體緊密結(jié)合,嚴(yán)重限制了其在柔性生物電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。目前,人們已開(kāi)始研究構(gòu)建柔性電路的策略,包括開(kāi)發(fā)柔性導(dǎo)電聚合物或復(fù)合材料,蜿蜒的電路連接,以及將高濃度鹽溶液或離子液體整合到柔性凝膠或微流道中。盡管這些技術(shù)取得了一定的突破,但產(chǎn)品通常容易被機(jī)械應(yīng)力破壞,相關(guān)器件被植入人體后,器件損壞難以維修。通過(guò)用剛性材料封裝柔性電路則可以增強(qiáng)其承受破壞性應(yīng)力的能力,但器件的柔韌性有限。因此,理想的柔性生物電子材料需要同時(shí)具有韌性、導(dǎo)電性和自愈合特性。
目前,開(kāi)發(fā)自愈合導(dǎo)電電子材料主要集中在利用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和基于超分子體系非共價(jià)相互作用(例如氫鍵、結(jié)晶、離子相互作用、疏水性締合等)。盡管這些自愈合體系有望實(shí)現(xiàn)器件的簡(jiǎn)單維修,但存在的不足包括相對(duì)較長(zhǎng)的自愈合周期,使用價(jià)格昂貴、含有對(duì)人體有毒或環(huán)境有害的材料,自愈合需要外部刺激如溶劑、熱、光或磁觸發(fā)等。
具有高拉伸性和自愈合能力的先進(jìn)材料對(duì)于提高柔性生物電子產(chǎn)品的耐用性至關(guān)重要。目前在開(kāi)發(fā)此類材料方面已取得了一些進(jìn)展,但復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),昂貴的原材料以及非生物友好材料的使用限制了其應(yīng)用。另外,抗菌性能對(duì)于柔性生物電子醫(yī)療器械來(lái)說(shuō)變得越來(lái)越重要。抗菌特性有助于減少與皮膚直接接觸的設(shè)備的更換頻率,并防止植入設(shè)備受到感染。然而,很少有研究著力于為柔性生物電子醫(yī)療器械提供抗菌性能。
因此,王云兵教授團(tuán)隊(duì)與企業(yè)醫(yī)院合作,以功能化的殼聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)為基材,通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng),得到一種具有高拉伸性、導(dǎo)電、自愈合和抗菌性能的水凝膠,并將其應(yīng)用在生物傳感與慢性傷口治療上。
本文亮點(diǎn):
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(1) 使用聚吡咯(PPY)或Zn2+對(duì)殼聚糖(CS)分子進(jìn)行功能化使其分別具有導(dǎo)電性或抗菌性,再將功能化的CS和聚乙烯醇(PVA)一步交聯(lián)形成了水凝膠(PCPZ)。原料價(jià)格低廉,生物相容性好,制備過(guò)程簡(jiǎn)單,易于工業(yè)化生產(chǎn)。
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(2) 體系中包含多重動(dòng)態(tài)物理化學(xué)相互作用,這些相互作用很容易破壞并恢復(fù)以消散拉伸時(shí)的能量,并在損傷后實(shí)現(xiàn)快速的自愈合。
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(3) 水凝膠能夠基于電阻的變化來(lái)感測(cè)溫度和應(yīng)變。此外,因其同時(shí)具有抗菌性,可以作為敷料,與電刺激(ES)結(jié)合用于慢性傷口的治療。
圖1. (a)水凝膠制備示意圖。(b)水凝膠高拉伸性與自愈合能力。(c)溫度傳感曲線。(d)手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。
圖2 水凝膠與電刺激聯(lián)用再慢性傷口治療上的應(yīng)用。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(51803135),中國(guó)博士后科學(xué)基金(2018M640919),四川大學(xué)博后研究基金(2018SCU12056),四川大學(xué)華西醫(yī)院臨床孵育項(xiàng)目(2019HXFH006)與護(hù)理專項(xiàng)基金(HXHL19003)等的資助。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c08291
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