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四川大学王云兵教授和胡雪丰副研究员团队在可用于传感与伤口治疗的导电水凝胶材料方面取得进展
2020-09-12  来源:高分子科技

  四川大学王云兵教授和胡雪丰副研究员团队近日在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上发表了题为“Highly Stretchable and Conductive Self-Healing Hydrogels for Temperature and Strain Sensing and Chronic Wound Treatment”的研究论文。论文的第一作者为四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心的张婕妤博士,通讯作者为四川大学胡雪丰副研究员王云兵教授。论文的合作单位为成都柔电云科科技有限公司和四川大学华西医院骨科宁宁/陈佳丽老师团队。


  近年来,柔性可穿戴生物电子领域发展迅速。然而用传统硬质电子材料(如硅、金属等·)制成的电子设备通常难以与柔性生物体紧密结合,严重限制了其在柔性生物电子产品上的应用。目前,人们已开始研究构建柔性电路的策略,包括开发柔性导电聚合物或复合材料,蜿蜒的电路连接,以及将高浓度盐溶液或离子液体整合到柔性凝胶或微流道中。尽管这些技术取得了一定的突破,但产品通常容易被机械应力破坏,相关器件被植入人体后,器件损坏难以维修。通过用刚性材料封装柔性电路则可以增强其承受破坏性应力的能力,但器件的柔韧性有限。因此,理想的柔性生物电子材料需要同时具有韧性、导电性和自愈合特性。


  目前,开发自愈合导电电子材料主要集中在利用动态共价键和基于超分子体系非共价相互作用(例如氢键、结晶、离子相互作用、疏水性缔合等)。尽管这些自愈合体系有望实现器件的简单维修,但存在的不足包括相对较长的自愈合周期,使用价格昂贵、含有对人体有毒或环境有害的材料,自愈合需要外部刺激如溶剂、热、光或磁触发等。


  具有高拉伸性和自愈合能力的先进材料对于提高柔性生物电子产品的耐用性至关重要。目前在开发此类材料方面已取得了一些进展,但复杂的化学反应,昂贵的原材料以及非生物友好材料的使用限制了其应用。另外,抗菌性能对于柔性生物电子医疗器械来说变得越来越重要。抗菌特性有助于减少与皮肤直接接触的设备的更换频率,并防止植入设备受到感染。然而,很少有研究着力于为柔性生物电子医疗器械提供抗菌性能。


  因此,王云兵教授团队与企业医院合作,以功能化的壳聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)为基材,通过简单的化学反应,得到一种具有高拉伸性、导电、自愈合和抗菌性能的水凝胶,并将其应用在生物传感与慢性伤口治疗上。


本文亮点:

  • (1) 使用聚吡咯(PPY)或Zn2+对壳聚糖(CS)分子进行功能化使其分别具有导电性或抗菌性,再将功能化的CS和聚乙烯醇(PVA)一步交联形成了水凝胶(PCPZ)。原料价格低廉,生物相容性好,制备过程简单,易于工业化生产。

  • (2) 体系中包含多重动态物理化学相互作用,这些相互作用很容易破坏并恢复以消散拉伸时的能量,并在损伤后实现快速的自愈合。

  • (3) 水凝胶能够基于电阻的变化来感测温度和应变。此外,因其同时具有抗菌性,可以作为敷料,与电刺激(ES)结合用于慢性伤口的治疗。


图1. (a)水凝胶制备示意图。(b)水凝胶高拉伸性与自愈合能力。(c)温度传感曲线。(d)手指运动监测。


图2 水凝胶与电刺激联用再慢性伤口治疗上的应用。


  该工作得到了国家自然科学基金(51803135),中国博士后科学基金(2018M640919),四川大学博后研究基金(2018SCU12056),四川大学华西医院临床孵育项目(2019HXFH006)与护理专项基金(HXHL19003)等的资助。


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c08291

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(责任编辑:xu)
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