南科大刘吉团队在水凝胶生物电子界面上取得系列进展
2022年01月18日 科研新闻 浏览量 :1517

近日,南方科技大学机械与能源工程系副教授刘吉课题组在水凝胶生物电子界面领域取得多项研究成果,在国际顶级材料期刊Advanced Functional Materials上连续发表两篇论文(Adv. Funct. Mater.,2022, in press, DOI: 10.1002/adfm.202111465; Adv. Funct. Mater., 2021, 31(47), 202106446.),报道了功能水凝胶生物粘合剂在伤口闭合、组织修复、生物电子界面等领域的应用。

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近年来,柔性电子器件在人体健康监测和生物医疗领域中发挥着越来越重要的作用,有望从根本上改变生物体与电子产品的交互融合。当前多数植入式电子器件与生物组织的固定都是通过传统的手术缝合,不可避免的产生组织损伤、炎症副反应和结疤等副作用。然而,对生物体中动态或柔软脆弱的组织(如心脏,血管和神经等),这类固定方式并不适用,为植入式电子器件提出了巨大的挑战。因此,开发高效稳定的生物-电子物理界面对实现人机交互具有至关重要的作用。鉴于与生物组织在生物、机械、化学和物理等方面的高度相似性,水凝胶材料已成为实现人体与电子无缝集成的最理想材料之一。

在过去的几十年里,水凝胶生物粘合剂取得了巨大的进步,尤其表现在微创手术等方面,可以有效的减少术后并发症、加快恢复时间和减少患者的不适。然而,在生物电子界面的构建上依旧面临着诸多挑战。例如,商用的水凝胶粘合剂(如纤维蛋白胶)粘合慢(超过几分钟)且粘合性能差(界面韧性低于20 J m-2)。虽然人工合成的水凝胶粘合剂能够与组织形成快速高韧性粘合(界面韧性高于500 J m-2),现阶段人工合成的水凝胶粘合剂多是从单体聚合得来,仍然面临着合成过程中小分子残余等方面的挑战。针对这一挑战,刘吉团队报道了一种人工合成的水凝胶粘合剂,具有即时的强韧组织黏附性能,优越的生物相容性和生物降解性,可适应于组织湿润的高动态环境,并且成功避免合成过程中小分子残留的问题。该团队通过制备具有功能性组分的聚合物作为水凝胶前驱物,避免了小分子残留可能引起的生物毒性和免疫副反应等(图1)。体内实验表明,这些水凝胶粘合剂在肝和血管等组织的伤口愈合过程中不产生任何炎症和免疫反应,有望用于组织缺损修复和外科手术的即时止血(Adv. Funct. Mater., 2022, in press, DOI: 10.1002/adfm.202111465)。南科大机械与能源工程系科研助理张宽、博士生陈兴梅和薛羽为论文共同第一作者,刘吉为通讯作者,南科大是论文第一单位。

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现阶段高韧性界面的可控剥离可以通过断裂水凝胶高分子链与基底的键合,实现无损剥离, 但是依旧存在一些挑战,包括苛刻的触发条件(如加热/降温、紫外线照射、引入浓缩的金属离子等)、较长的等待时间等,无法适用于生物组织粘合类应用场合。因此,开发粘合界面高度可控的水凝胶类生物粘合剂,用于构建稳定高效的生物电子界面,能为新兴生物电子器件的开发和个性化医疗设备的发展提供强有力的支持。针对这一挑战,刘吉团队通过在水凝胶粘合剂内引入动态分子识别(比如苯硼酸与多元醇的络合),能有效的提高水凝胶的自身高韧性,且能与潮湿的组织表面瞬间发生强力黏附(> 400 J m-2)(图2)。在特定生物相容性刺激下(如喷涂葡萄糖溶液),短时间内(< 3 min)动态键等耗散基元迅速解离,这类生物界面韧性迅速降低一个数量级以上,实现按需解粘附(Adv. Funct. Mater., 2021, 31(47), 202106446.)。该研究论文的第一作者为南科大机械与能源工程系博士生薛羽、博士后张俊和博士生陈兴梅,通讯作者为刘吉,南科大是论文第一单位。

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该团队进一步将这类水凝胶生物粘合剂用于构建可穿戴表皮电子的生物界面,这类水凝胶生物粘合剂能够与皮肤和各类生物组织形成长期稳定的高韧性粘合,能够成功监测肌电、血压和心率等生理信号。这些优良的特性也使得植入的生物电子能够用于实时的生理和临床监测,通过该粘合剂将生物电子固定于动物心脏,来构建电子器件与大鼠心脏的生物电子界面,用于实现生物信号(例如血压,心跳速率等)的无线检测。同时,这类体内生物电子界面稳健性好,能够实现快速安装,刺激响应下快速无损移除,因此降低了组织损伤的风险。

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刘吉团队开发的这类生物电子粘合界面稳健,适用于湿润和动态的组织界面,为体内生物电子的长期植入提供了技术支持。以上研究得到深圳市政府和南方科技大学科研启动基金,麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心,深圳市科技创新委员会和广东省基础研究和应用基础研究等基金项目的资助。特别感谢材料系任富增教授在细胞生物研究和电子系叶涛教授在无线传感上给予的大力支持,以及动物中心郭辉老师和南科大测试中心的帮助。

 

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111465

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106446

 


供稿:机械能源与工程系

通讯员:邓苏

主图:丘妍

编辑:朱增光


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