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西南交大鄧維禮/楊維清教授團隊 CEJ：體溫觸發(fā)粘合離子導電水凝膠
2024-09-03  來源：高分子科技

  心電圖 (ECG)、肌電圖 (EMG) 和腦電圖 (EEG) 等生物電信號是人體的基本生理指標，為了解生物運動規(guī)律和生理紊亂的內(nèi)在機制提供了寶貴的信息。為確保穩(wěn)定、精確地記錄這些信號，靈活可穿戴和生物兼容的電極至關(guān)重要。然而傳統(tǒng)商用電極在與人體皮膚接觸時存在貼合性差、易引起不適等問題；而現(xiàn)有的柔性生物電極雖然在一定程度上改善了這些問題，但仍存在粘附性不強導致信號采集不穩(wěn)定等缺陷。近年來，水凝膠因其獨特的生物相容性、柔軟性以及可調(diào)節(jié)的機械和電學性質(zhì)，成為了生物電子領(lǐng)域的理想材料之一。然而，制備具有高韌性、強粘附性和按需脫落的水凝膠仍是一項挑戰(zhàn)。


  近日，西南交通大學鄧維禮副教授和楊維清教授團隊開發(fā)了一種體溫觸發(fā)的粘附性離子導電水凝膠，該水凝膠基于聚丙烯酰胺(PAAM)、明膠和海藻酸鈉(SA)，通過溫度敏感的明膠成分，實現(xiàn)了人體溫度觸發(fā)的快速粘附性能。當水凝膠接觸人體皮膚時，明膠的三螺旋結(jié)構(gòu)在體溫作用下展開，增加了與皮膚表面的接觸面積和粘附力；在冷卻后，三螺旋結(jié)構(gòu)重新纏繞，減少了與皮膚的粘附，實現(xiàn)了無痛剝離。由于水凝膠模量與皮膚相當，可實現(xiàn)共形貼附，電極-表皮阻抗較低，測得信號的信噪比約為 25 dB，可以高保真地記錄各種生物電信號，在生物醫(yī)學應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。該工作以“Body temperature-triggered adhesive ionic conductive hydrogels for bioelectrical signal monitoring”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上(Chem. Eng. J. 498 (2024) 155195)。


圖1.具有溫度調(diào)節(jié)粘附性的 PGS 水凝膠示意圖。


  離子導電水凝膠是由PAAM、Gelatin和SA組成（圖1）。在體溫下，明膠的三螺旋結(jié)構(gòu)展開，增加了與皮膚的粘附力；而在冷卻后，三螺旋結(jié)構(gòu)重新纏繞，減少了粘附力，實現(xiàn)了與皮膚的無痛剝離。PGS導電水凝膠可以用于人體生物電信號的監(jiān)測。


圖2. PGS 水凝膠的表征和機械性能。


  作者對離子導電水凝膠的力學性能進行了一系列測試，如圖2所示，隨著SA含量從0增加到0.8 wt%，其拉伸應(yīng)力、斷裂伸長率和楊氏模量都有所增加。結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)海藻酸鈉含量，可以優(yōu)化水凝膠的力學性能。結(jié)果表明 PGS 水凝膠可承受 80% 的高壓縮變形而無任何損傷，并且在卸載后可迅速恢復(fù)原狀。同時，水凝膠在拉伸、彎曲和扭曲后仍能保持原有形狀而不會斷裂。


圖3.體溫觸發(fā) PGS 水凝膠的機理。


  作者隨后對水凝膠進行了更系統(tǒng)的粘附性能表征。在人體體溫下(37 ℃)，該水凝膠與人體皮膚有較強的粘附能力，通過冰敷，水凝膠可以與皮膚無損傷剝離。同時測試了不同溫度下的粘附力。測試表明，PGS水凝膠具有良好的粘附性，這為電子和生物組織之間提供了橋梁。


圖4. PGS 水凝膠的導電性能和穩(wěn)定性。


  作者對水凝膠的電學性能進行了測試，結(jié)果表明，通過增加LiCl的含量，可以有效提升水凝膠的導電性能，同時PGS水凝膠在一定形變下仍具有穩(wěn)定的導電性。與商業(yè)Ag/AgCl電極相比，PGS水凝膠可以與人體皮膚形成良好的共形貼合以及較低的接觸阻抗。


圖5.應(yīng)用 PGS 水凝膠作為肌電電極。


  作者用PGS水凝膠表皮電極來記錄心電和肌電信號，其性能與商業(yè)Ag/AgCl電極相當。實驗結(jié)果表明，PGS水凝膠電極可以成功采集肌電信號并準確記錄心電信號的波形。


  研究團隊提出的聚丙烯酰胺/明膠/海藻酸鈉離子傳導水凝膠在監(jiān)測肌電信號、心電信號等方面表現(xiàn)出良好的性能。所開發(fā)的離子導電水凝膠可在體溫（37 °C）下與皮膚產(chǎn)生穩(wěn)定的粘附，冷敷約 10 s 后即可輕松剝離，不會對皮膚造成損傷。該水凝膠具有良好的導電性（5.69 S m?1）和柔韌性，從而降低了與皮膚的接觸阻抗，實現(xiàn)了信噪比為 25 dB 的高質(zhì)量 sEMG 信號采集。這項研究為設(shè)計溫度觸發(fā)水凝膠提供了一個大有可為的機會，在構(gòu)建可靠的生物界面和高保真生物電信號記錄方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155195


作者簡介：

  鄧維禮，博士，副教授，碩士生導師，四川省學術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選，四川省海外高層次留學人才，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）及河濱分校（UCR）訪問學者。長期從事納米功能材料及柔性電子的基礎(chǔ)研究，近年來，以第一或通訊作者身份，在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy等國際知名期刊發(fā)表學術(shù)論文40余篇，包括ESI熱點論文1篇，ESI高被引論文7篇，封面論文8篇，論文引用7600余次，相關(guān)研究成果獲授權(quán)發(fā)明專利10余件。主持國家自然科學基金NSAF聯(lián)合基金項目、青年科學基金項目、四川省科技廳重點研發(fā)項目、四川省自然科學基金面上項目、中央高？萍紕(chuàng)新項目等多項國家及省部級科研項目。指導多項SRTP國創(chuàng)項目，入選教育部主辦的全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會1次，指導學生參加中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、 “挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽、中美青年創(chuàng)客大賽、全國節(jié)能減排社會實踐與科技競賽等國家A類學科競賽，獲全國三等獎5次，四川省一等獎1次、二等獎1次、三等獎3次。指導的研究生多人次獲國家獎學金及四川省優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。


  個人主頁：https://faculty.swjtu.edu.cn/dengweili/zh_CN/index.htm

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（責任編輯：xu）
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