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西南交通大學(xué)魯雄教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》特邀綜述:仿貽貝水凝膠在自粘附生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用
2020-04-22  來(lái)源:高分子科技
關(guān)鍵詞:水凝膠 自粘附 生物電子

  盡管近年來(lái)對(duì)于生物電子的研究已經(jīng)很深入,并且也取得了重大進(jìn)展,但是能夠在不使用外部輔助工具的情況下粘附于人體組織并實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)檢測(cè)的自粘附生物電子仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。迄今為止,僅有少數(shù)對(duì)自粘附生物電子的報(bào)道,并且很大程度上都限于在皮膚上對(duì)信號(hào)收集,而尚未報(bào)道其他應(yīng)用,例如觸覺(jué)傳感器和植入的神經(jīng)接口電極。由于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和一些列嚴(yán)格的要求,包括生物相容性,生物穩(wěn)定性,和在體液環(huán)境中的濕粘附能力,因此,將自粘附性引入當(dāng)前可用的生物電子材料中仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。仿貽貝策略為自粘附生物電極提供了新的思路,從皮膚粘附貼片到可植入集成生物電子。


  西南交通大學(xué)魯雄教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事仿貽貝粘附水凝膠的設(shè)計(jì)與制備,并取得了一系列的研究成果,創(chuàng)新性的提出基于仿貽貝策略調(diào)控酚醌氧化還原動(dòng)態(tài)平衡機(jī)理,研發(fā)具有長(zhǎng)期反復(fù)粘附性的水凝膠(ACS Nano 2017, 11, 2561;Nat.  Comm., 2019, 10,1487;Adv. Funct. Mater. 2019, 1907678)。借鑒材料基因工程的思想方法,基于量子力學(xué)計(jì)算指導(dǎo),精心設(shè)計(jì)反應(yīng)體系,采用高通量制備與表征技術(shù)進(jìn)行進(jìn)行多因素多水平篩選,研發(fā)了一系列多功能生物醫(yī)用新型水凝膠。


  鑒于在自粘附水凝膠領(lǐng)域的創(chuàng)新工作,近日,西南交通大學(xué)魯雄教授團(tuán)隊(duì)受邀在Adv. Funct. Mater.期刊撰寫特邀綜述 “Mussel-inspired hydrogels for self-adhesive bioelectronics”(DOI:10.1002/adfm.201909954)。該論文系統(tǒng)性總結(jié)了近年來(lái)基于貽貝啟發(fā)的自粘附水凝膠生物電子的最新進(jìn)展,重點(diǎn)闡述了基于該團(tuán)隊(duì)提出的通過(guò)空間限域和電子轉(zhuǎn)移調(diào)控酚醌氧化還原機(jī)理賦予水凝膠生物電子自粘附性和其他功能,如超強(qiáng)力學(xué)性能、自修復(fù)性、透明性、抗菌性,及耐高溫、抗凍、水下粘附等。最后,論文重點(diǎn)介紹了用于自粘附生物電子的多功能水凝膠的發(fā)展所面臨的一些挑戰(zhàn)和未來(lái)的方向。西南交通大學(xué)謝超鳴副教授為本論文的第一作者,西南交通大學(xué)魯雄教授和美國(guó)西北大學(xué)丁永會(huì)研究助理教授為共同通訊作者。


圖1. 仿貽貝策略提供了可穿戴/植入生物電子從外部輔助固定轉(zhuǎn)變便捷可靠自粘附的新途徑。


圖2. 貽貝粘附機(jī)理以及長(zhǎng)期可重復(fù)自粘附水凝膠設(shè)計(jì)策略


  論文從五個(gè)方面對(duì)基于自粘附水凝膠生物電子的性能進(jìn)行了詳細(xì)討論:


  (1)仿貽貝化學(xué)用于研發(fā)具有超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度的自粘附水凝膠生物電子,突破了傳統(tǒng)強(qiáng)韌水凝膠缺乏表面粘附性和細(xì)胞親和性,不能用于組織修復(fù)再生的難題


圖3. 具有超強(qiáng)力學(xué)性能的自粘附水凝膠生物電子


  (2)仿貽貝化學(xué)用于研發(fā)具有自修復(fù)能力的仿貽貝自粘附水凝膠生物電子,實(shí)現(xiàn)了自粘附水凝膠生物電子的損壞結(jié)構(gòu)性能的自修復(fù),保證了其長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用;


圖4.具有自有修復(fù)能力的自粘附水凝膠生物電子


  (3)仿貽貝化學(xué)用于研發(fā)具有透明性的仿貽貝自粘附水凝膠生物電子,解決了納米填充導(dǎo)電水凝膠不透明和離子導(dǎo)電水凝膠生物相容性差,不能用于可視化生物電子應(yīng)用的難題;


圖5.具有透明性的自粘附水凝膠生物電子


  (4)仿貽貝化學(xué)用于研發(fā)具有抗菌性的仿貽貝自粘附水凝膠生物電子,降低了可植入自粘附水凝膠生物電子細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn);


圖6. 具有抗菌性的自粘附水凝膠生物電子


  (5)仿貽貝化學(xué)用于研發(fā)用于極端環(huán)境的仿貽貝自粘附水凝膠生物電子,擴(kuò)展了其應(yīng)用環(huán)境,如高溫、極寒和水下環(huán)境,以及人體表面汗液潤(rùn)濕環(huán)境及人體植入體液侵蝕環(huán)境。


圖7. 用于極端環(huán)境的自粘附水凝膠生物電子


圖8. 用于濕潤(rùn)環(huán)境下的自粘附水凝膠


  文章最后重點(diǎn)介紹了用于自粘附生物電子的多功能水凝膠的發(fā)展所面臨的一些挑戰(zhàn)和未來(lái)的方向:

  • 1)研發(fā)整合多功能的自粘附水凝膠生物電子;

  • 2)結(jié)合體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境,研發(fā)穩(wěn)定的可植入的自粘附水凝膠生物電子;

  • 3)研發(fā)用于各種極端環(huán)境的自粘附水凝膠人體表面生物電子;

  • 4)擴(kuò)展貽貝粘附機(jī)理在自粘附生物電子設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909954

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