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  水凝膠生物界面粘合韌性主要由兩部分貢獻(xiàn)（Γ = Γ₀ + Γ_D）：水凝膠與組織界面的結(jié)合（如化學(xué)錨定或物理吸附），為固有韌性（Γ₀ ≈ 1～50 J/m²）；水凝膠內(nèi)部通過(guò)滯后效應(yīng)來(lái)耗散能量，為外在韌性（Γ_D）。通過(guò)內(nèi)部動(dòng)態(tài)鍵等耗散基元的引入來(lái)提高外在韌性，能顯著提高水凝膠粘合界面的韌性。現(xiàn)階段高韌性界面的可控剝離可以通過(guò)斷裂水凝膠高分子鏈與基底的鍵合，實(shí)現(xiàn)無(wú)損剝離, 但是依舊存在一些挑戰(zhàn)，包括苛刻的觸發(fā)條件（如加熱/降溫、紫外線照射、引入濃縮的金屬離子等）、較長(zhǎng)的等待時(shí)間等，無(wú)法適用于生物組織粘合類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合。因此，開(kāi)發(fā)粘合界面高度可控的水凝膠類(lèi)生物粘合劑，用于構(gòu)建穩(wěn)定高效的生物電子界面，能為新興生物電子器件的開(kāi)發(fā)和個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

  近日，南方科技大學(xué)劉吉團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章《Trigger-Detachable Hydrogel Adhesives for Bioelectronic Interfaces》，報(bào)道了一種刺激響應(yīng)型水凝膠，用于構(gòu)建性能高度可調(diào)控的生物電子界面。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在水凝膠粘合劑內(nèi)引入動(dòng)態(tài)分子識(shí)別（比如苯硼酸與多元醇的絡(luò)合），能有效的提高水凝膠的自身高韌性，且能與潮濕的組織表面瞬間發(fā)生強(qiáng)力黏附（> 400 J m^-2）。在特定生物相容性刺激下（如噴涂葡糖糖溶液），短時(shí)間內(nèi)（< 3 min）動(dòng)態(tài)鍵等耗散基元迅速解離（Γ_D急劇降低），這類(lèi)生物界面韌性迅速降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上（Γ = Γ₀ + Γ_D < 30 J m^-2），實(shí)現(xiàn)按需解粘附。

 

圖1. 刺激響應(yīng)型水凝膠生物粘合劑的設(shè)計(jì)原理及粘附性能測(cè)試。

  商業(yè)生物電極粘合劑多數(shù)采用聚氨酯，丙烯酸酯或硅酮等，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能會(huì)引發(fā)皮膚發(fā)癢等不適，且在濕潤(rùn)組織界面會(huì)發(fā)生脫落。這類(lèi)水凝膠粘合劑能夠?qū)⑸虡I(yè)化肌電電極(EMG)粘附于皮膚表面；與商業(yè)化電極相比，這類(lèi)水凝膠粘合層在運(yùn)動(dòng)、出汗?fàn)顟B(tài)下都不會(huì)失效。而在生物刺激觸發(fā)下，EMG電極很容易從皮膚表面分離，不會(huì)造成任何不適。

 

圖2. 刺激響應(yīng)型水凝膠生物粘合劑用于可穿戴表皮電子產(chǎn)品。

  水凝膠粘合劑在臨床醫(yī)學(xué)及健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步探索其在體內(nèi)生物電子界面的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)利用這類(lèi)刺激響應(yīng)型水凝膠粘合劑來(lái)構(gòu)建一類(lèi)電子器件與兔子動(dòng)脈血管的生物電子界面，成功的監(jiān)測(cè)到動(dòng)脈血流涌動(dòng)的生理信號(hào)，如血壓、心率等。這類(lèi)體內(nèi)生物電子界面穩(wěn)健性好，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝，刺激響應(yīng)下快速無(wú)損移除，因此降低了血管損傷的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，剝離產(chǎn)生的殘余物生物相容性高，且能快速生物降解和吸收，無(wú)任何副作用。

視頻1. 刺激響應(yīng)型水凝膠生物粘合劑用于體內(nèi)動(dòng)脈血流監(jiān)測(cè)。

  南方科技大學(xué)博士生薛羽，博士后張俊和博士生陳興梅為論文共同第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市政府和南方科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金，麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機(jī)械工程研究與教育中心,深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)和廣東省基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究等基金項(xiàng)目的資助。

 

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106446

招聘信息

  劉吉課題組長(zhǎng)期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標(biāo)題請(qǐng)注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘職位”，期待您的加盟！

  劉吉副教授及團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學(xué)獨(dú)立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)檐洸牧系臉O限性能設(shè)計(jì)、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(lái)，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章40余篇。先后獲得《麻省理工科技評(píng)論》中國(guó)區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進(jìn)高層次人才青年項(xiàng)目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng)(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽(yù)。課題組更多信息請(qǐng)看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/