蘇州納米所張珽團隊NML最新研究進展：生物組織啟發(fā)的超軟、超薄、力學增強的電紡纖維復合凝膠柔性電子
近日，中科院蘇州納米所張珽團隊在期刊Nano-Micro Letters上發(fā)表了最新研究成果“生物組織啟發(fā)的超軟、超薄、力學增強的電紡纖維復合凝膠用于柔性生物電子”（Biological tissue？inspired ultrasoft, ultrathin, and mechanically enhanced microfiber composite hydrogel for flexible bioelectronics）。中科院蘇州納米所為第一署名單位，高強博士后為論文第一作者，通訊作者為張珽研究員。該研究開發(fā)了一種新策略，通過將電紡纖維網絡嵌入水凝膠中從而實現(xiàn)同時具有超薄結構和優(yōu)異力學性能的復合水凝膠薄膜（< 5 μm）的構建。纖維復合水凝膠提供了廣泛的可調模量（從 ~ 5 kPa 到幾十 MPa），這與大多數生物組織和器官的模量相匹配。超薄的結構和超柔軟特性使電紡纖維復合水凝膠能夠無縫附著在各種粗糙表面上，是構建貼附型生物電子器件的理想材料。
纖維復合水凝膠薄膜基于靜電紡絲、旋涂和凍融聯(lián)合技術構建（圖1）。通過調控靜電紡絲時間、旋涂時間和凍融次數，實現(xiàn)對纖維復合水凝膠薄膜理化性質的調控（厚度：5微米到毫米；模量：幾千帕到幾十兆帕）。例如，增加紡絲時間可顯著提高纖維復合水凝膠薄膜的力學性能；提高旋涂速率，有利于降低纖維復合水凝膠薄膜的厚度；增加凍融次數，可提高水凝膠自身的模量。纖維復合水凝膠具有優(yōu)異的力學強度，一片厚度僅為7微米水凝膠薄膜可輕松托起20g重量的物體。此外，包埋的纖維網絡可有效抑制應力集中導致的裂紋擴增，賦予纖維復合水凝膠薄膜優(yōu)異的抗撕裂性能（圖2）。
圖1. 纖維復合水凝膠設計和制備
圖2. 纖維復合水凝膠薄膜力學性能
常規(guī)的水凝膠材料具有容易失水的缺點，長期暴露于空氣中時，由于體系水分的蒸發(fā)從而使水凝膠體系失效。該研究通過在纖維復合水凝膠體系中摻入甘油作為保水劑，使復合水凝膠體系具有優(yōu)異的抗失水性能。暴露于空氣中七天后，仍具備優(yōu)異的柔性。此外，為了改善纖維復合水凝膠的導電性，甘油/NaCl體系使纖維復合水凝膠在空氣中維持長期的高導電性能（圖3）。
圖3. 纖維復合水凝膠薄膜抗失水性能
得益于其超軟和超薄的特性，纖維復合水凝膠薄膜可實現(xiàn)對各種不同粗糙表面的無縫貼附。其廣泛可調的力學性能，幾乎可實現(xiàn)對所有生物軟組織（例如腦，肝臟，心臟，肺，心臟和皮膚等）模量的完美匹配，可伴隨組織產生形變而不損傷組織，是構建柔性生物電子器件的理想材料（圖4）。
圖4. 纖維復合水凝膠薄膜的柔性和貼附性能
基于甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠構建的貼附型生物電極具有比商業(yè)凝膠電極更加優(yōu)異的信噪比和長期使用性能。商用凝膠電極長期（48h）暴露于空氣中會由于失水從而喪失性能，甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠電極在7天后仍舊保持良好信噪比，實現(xiàn)對人體肌電信號的采集。甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠電極用于檢測人體肌電信號，可實現(xiàn)對不同運動姿勢和不同運動強度肌肉電信號的監(jiān)測（圖5）。
圖5. 纖維復合水凝膠電極用于人體肌電信號監(jiān)測
研究者通過將電紡纖維網絡包埋于水凝膠，開發(fā)了一種制備超軟、超薄、力學增強復合水凝膠的新策略，實現(xiàn)對不同粗糙物體表面的緊密共形貼附。該工作為超薄柔性生物電子提供新穎的設計和構建思路。
附件下載：
