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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)部通過滯后效應(yīng)來耗散能量，為外在韌性（Γ_D）。通過內(nèi)部動態(tài)鍵等耗散基元的引入來提高外在韌性，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斷裂水凝膠高分子鏈與基底的鍵合，實現(xiàn)無損剝離, 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）、較長的等待時間等，無法適用于生物組織粘合類應(yīng)用場合。因此，開發(fā)粘合界面高度可控的水凝膠類生物粘合劑，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發(fā)和個性化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供強有力的支持。

  近日，南方科技大學(xué)劉吉團隊在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章《Trigger-Detachable Hydrogel Adhesives for Bioelectronic Interfaces》，報道了一種刺激響應(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。該團隊通過在水凝膠粘合劑內(nèi)引入動態(tài)分子識別（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），短時間內(nèi)（< 3 min）動態(tài)鍵等耗散基元迅速解離（Γ_D急劇降低），這類生物界面韌性迅速降低一個數(shù)量級以上（Γ = Γ₀ + Γ_D < 30 J m^-2），實現(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)計原理及粘附性能測試。

  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，在長期使用過程中可能會引發(fā)皮膚發(fā)癢等不適，且在濕潤組織界面會發(fā)生脫落。這類水凝膠粘合劑能夠?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，這類水凝膠粘合層在運動、出汗?fàn)顟B(tài)下都不會失效。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，該團隊利用這類刺激響應(yīng)型水凝膠粘合劑來構(gòu)建一類電子器件與兔子動脈血管的生物電子界面，成功的監(jiān)測到動脈血流涌動的生理信號，如血壓、心率等。這類體內(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)下快速無損移除，因此降低了血管損傷的風(fēng)險。同時，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)動脈血流監(jiān)測。

  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)科研啟動基金，麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機械工程研究與教育中心,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。

 

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

招聘信息

  劉吉課題組長期招聘研究助理教授、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！

  劉吉副教授及團隊簡介：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40余篇。先后獲得《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(jìn)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/