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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(huán)境中能夠維持穩(wěn)定的電學(xué)/力學(xué)性質(zhì)，并具有與生物組織類似的機械順應(yīng)性，對于構(gòu)筑穩(wěn)定高效的生物電子界面是至關(guān)重要的。導(dǎo)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(yōu)異的柔性、導(dǎo)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(xué)和電化學(xué)失配，對醫(yī)療保健監(jiān)測、診斷及治療具有廣泛的意義。然而，常規(guī)的制造手段難以制造出具有高分辨率和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS生物電子器件，無法滿足復(fù)雜生物環(huán)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(jié)合力弱，長期植入存在器件移位甚至脫落等風(fēng)險，導(dǎo)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(xué)劉吉教授團隊與江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授團隊合作在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章《3D Printed Implantable Hydrogel Bioelectronics for Electrophysiological Monitoring and Electrical Modulation》，開發(fā)了基于PEDOT：PSS的生物墨水，實現(xiàn)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(xué)和電學(xué)性質(zhì)，與體內(nèi)生物組組/器官形成穩(wěn)定的電交互界面，可用于體內(nèi)電生理信號的長期監(jiān)測以及某些疾病的電調(diào)控治療。 


圖1. 用于生物界面的3D打印水凝膠電子器件設(shè)計


  該團隊開發(fā)了一種由導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS與其他生物醫(yī)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(xiàn)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(fù)雜精細結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yōu)異的粘附性能確保了生物電子與體內(nèi)動態(tài)器官的穩(wěn)定電學(xué)交互。 


圖2. 3D打印水凝膠生物電子及其力學(xué)/電學(xué)性能研究


  該團隊進一步結(jié)合多材料3D打印技術(shù)制造出具有16通路的全水凝膠生物電子，并將其應(yīng)用至大鼠心臟表面，實現(xiàn)了體內(nèi)心電信號的長期穩(wěn)定監(jiān)測以及心臟電傳導(dǎo)特性的時空映射，并成功監(jiān)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(dǎo)區(qū)域，并給予電刺激治療，實現(xiàn)病變區(qū)域的精準(zhǔn)電學(xué)調(diào)控（圖3）。綜上所述，此項研究通過多材料3D打印技術(shù)制造出具有高分辨率和復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的生物電子，能夠滿足體內(nèi)復(fù)雜生理環(huán)境對生物電子的要求，實現(xiàn)與生物組織軟的機械耦合及高效的電學(xué)交互，為下一代生物電子技術(shù)提供了技術(shù)支持。 


圖3. 水凝膠生物電子用于體內(nèi)電生理記錄及電調(diào)控治療


  江西科技師范大學(xué)碩士生王福成，南方科技大學(xué)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(xué)基金、江西省柔性電子重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會和廣東省基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究等基金項目的資助。


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


招聘信息


  南方科技大學(xué)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(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)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(xué)獨立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域為軟材料的極限性能設(shè)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(yīng)用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)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(qū) “35歲以下科技創(chuàng)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(xié)會青年學(xué)者獎(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽。課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/
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