蘇州納米所張珽團(tuán)隊(duì)NML最新研究進(jìn)展：生物組織啟發(fā)的超軟、超薄、力學(xué)增強(qiáng)的電紡纖維復(fù)合凝膠柔性電子
近日，中科院蘇州納米所張珽團(tuán)隊(duì)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(xué)增強(qiáng)的電紡纖維復(fù)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(qiáng)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(wǎng)絡(luò)嵌入水凝膠中從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有超薄結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合水凝膠薄膜（< 5 μm）的構(gòu)建。纖維復(fù)合水凝膠提供了廣泛的可調(diào)模量（從 ~ 5 kPa 到幾十 MPa），這與大多數(shù)生物組織和器官的模量相匹配。超薄的結(jié)構(gòu)和超柔軟特性使電紡纖維復(fù)合水凝膠能夠無縫附著在各種粗糙表面上，是構(gòu)建貼附型生物電子器件的理想材料。
纖維復(fù)合水凝膠薄膜基于靜電紡絲、旋涂和凍融聯(lián)合技術(shù)構(gòu)建（圖1）。通過調(diào)控靜電紡絲時(shí)間、旋涂時(shí)間和凍融次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對纖維復(fù)合水凝膠薄膜理化性質(zhì)的調(diào)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(shí)間可顯著提高纖維復(fù)合水凝膠薄膜的力學(xué)性能；提高旋涂速率，有利于降低纖維復(fù)合水凝膠薄膜的厚度；增加凍融次數(shù)，可提高水凝膠自身的模量。纖維復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)可有效抑制應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)增，賦予纖維復(fù)合水凝膠薄膜優(yōu)異的抗撕裂性能（圖2）。
圖1. 纖維復(fù)合水凝膠設(shè)計(jì)和制備
圖2. 纖維復(fù)合水凝膠薄膜力學(xué)性能
常規(guī)的水凝膠材料具有容易失水的缺點(diǎn)，長期暴露于空氣中時(shí)，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(fù)合水凝膠體系中摻入甘油作為保水劑，使復(fù)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(fù)合水凝膠的導(dǎo)電性，甘油/NaCl體系使纖維復(fù)合水凝膠在空氣中維持長期的高導(dǎo)電性能（圖3）。
圖3. 纖維復(fù)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(fù)合水凝膠薄膜可實(shí)現(xiàn)對各種不同粗糙表面的無縫貼附。其廣泛可調(diào)的力學(xué)性能，幾乎可實(shí)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(chǎn)生形變而不損傷組織，是構(gòu)建柔性生物電子器件的理想材料（圖4）。
圖4. 纖維復(fù)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(fù)合水凝膠構(gòu)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(huì)由于失水從而喪失性能，甘油/NaCl體系的纖維復(fù)合水凝膠電極在7天后仍舊保持良好信噪比，實(shí)現(xiàn)對人體肌電信號的采集。甘油/NaCl體系的纖維復(fù)合水凝膠電極用于檢測人體肌電信號，可實(shí)現(xiàn)對不同運(yùn)動(dòng)姿勢和不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度肌肉電信號的監(jiān)測（圖5）。
圖5. 纖維復(fù)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(wǎng)絡(luò)包埋于水凝膠，開發(fā)了一種制備超軟、超薄、力學(xué)增強(qiáng)復(fù)合水凝膠的新策略，實(shí)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(shè)計(jì)和構(gòu)建思路。
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