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长春应化所张强/海南大学王东AFM:本征电子导电、抗菌、抗膨胀水凝胶!可用作生物电子学可植入传感器

高分子科学前沿

2022-09-27 06:23浙江

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生物电子新材料和新设备在医疗保健和疾病诊断方面有广泛应用。但基于水凝胶的传感器在保障协同性能方面面临着巨大的挑战,包括本征电子传导、抗菌、抗膨胀性能和与组织的粘附性等。

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为了解决目前存在的瓶颈,长春应化所张强研究员海南大学王东副教授合作,首次开发出基于聚芳香乙炔亚铜的水凝胶(poly(Cu-NIPAm)),该水凝胶以Cu-芳基炔化物为主链,具有记录心电图、肌电图、植入式心外膜心电图和传递神经信号的功能。该研究不仅开创了水凝胶的新研究领域,而且提出了生物电子植入电极的设计概念。

方案1 poly(Cu-NIPAm)水凝胶及其在生物电子领域的应用示意图

poly(Cu-NIPAm)水凝胶的制备及表征

首先通过n-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和2-羟乙基丙烯酸酯(HEA)的共聚得到poly(NIPAm-co-HEA)。然后,通过-COOH和-OH基团的酯化反应,将芳香炔化物与聚(NIPAm-co-HEA)结合。最后,由pNIPAm侧链上的芳基炔、芳基炔单体(M1)以及Cu 1+的聚合形成了互穿网络结构。将水凝胶记为HCuMx-y,其中x和y分别表示Cu与NIPAm的摩尔比和M1与M1和pNIPAm侧链上总芳基炔基团的摩尔比。poly(Cu-M1)呈现出纳米颗粒形态,粒径80 ~ 200 nm,它能够均匀分散在水凝胶网络中,形成连续的生物电子传导通路。poly(Cu-M2)骨架包含一个周期性的螺旋上升结构,有四个铜原子“阶梯”。

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图1 poly(Cu-NIPAm)水凝胶的制备及表征

机械、粘合和抗膨胀性能

当水凝胶中Cu的摩尔比从0.1增加到0.17时,其最大抗拉强度从0.086增加到0.105 MPa,杨氏模量从70增加到160 kPa,断裂伸长率从108%下降到63%。也就是说,聚(Cu-芳香炔化物)的存在增加水凝胶的机械强度(刚性)的同时降低了断裂伸长率(柔韧性)。当应变(γ)从0.1%增加到30%时,HCuM 0.13-0.40的G′和G″值保持不变,表明其保持凝胶状态。随着应变的进一步增加,G′和G″均下降,并在γ值为280%时相交,表明交联网络随γ值的增加逐渐降解,并在γ> 280%时基本解体。儿茶酚基通过共价键、氢键和π -π相互作用对各种有机和无机表面具有较高的粘附性,因此,HCuM 0.13-0.40对塑料、玻璃、铜和生物皮肤具有良好的粘附性。最大粘附强度与M1含量(邻苯二酚基含量)有关。当M1的摩尔比从0.25增加到0.40时,与猪皮的最大粘附强度也从14.2增加到22.7 kPa。在20个循环的粘附剥离试验中,最大粘附强度保持在≈22 kPa,粘附强度没有损失,表明粘附性能具有良好的重复性和耐久性。尽管水凝胶表现出与组织相匹配的化学力学性能,但水环境中的溶胀对体内实际应用来说是一个巨大的挑战。当HCuM 0.13-0.40浸泡在水中4 天,膨胀率为5%,远低于pNIPAm水凝胶的57%。

图2 poly(Cu-NIPAm)水凝胶的机械、粘合和抗膨胀性能

抗菌性能

防止细菌在表面生长繁殖对可穿戴和可植入传感器维持功能和避免感染具有重要意义。HCuM 0.13-0.40处理后,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的增殖分别为12.8%和11.1%,光密度(OD600)值没有显著改变,而经过pNIPAm水凝胶处理的对照组OD600值显著增加。HCuM 0.13-0.40对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为28和26 mm,而对照样品(pNIPAm水凝胶)周围没有发现对这两种细菌的抑菌圈。

图3 poly(Cu-NIPAm)水凝胶的抗菌性能

导电性能

随着聚(Cu-芳基炔化物)的摩尔比从0.10增加到0.17,电导率从0.7增加到1.44 S m−1。为了定性研究导电性能,作者使用HCuM0.13-0.40片作为导体连接发光二极管(LED)和电源。当施加1 V电压,水凝胶拉伸到50%时,LED会亮起并保持亮度。当应变从0增加到60%时,电阻变化呈线性增加,测量因子(GF)为1.26,说明HCuM0.13-0.40可作为可穿戴传感器用于监测表皮和组织的变形。HCuM0.13-0.40在拉伸6min后表现出与原始状态相同的弹性行为,并且,在400个拉伸-放松周期内表现出相同的电阻应变响应行为,表明HCuM0.13-0.40具有良好的重现性,良好的耐久性和优异的抗疲劳性。

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图4 poly(Cu-NIPAm)水凝胶的导电性能

生理与生物电子信号记录

将一块HCuM 0.13-0.40薄片附着在食指上,当手指弯曲90度角时,它的电阻变化为27%。将三个HCuM 0.13-0.40电极垫连接到志愿者的屈肌(左臂)上,志愿者的肌肉运动能够主导肌动电流的产生,运动电位≈0.7和1.2 mV。更复杂的手势动作也能在肌电图中观察到与特定手势动作相对应的特征动作电位信号。采用HCuM 0.13-0.40电极记录典型心电图波形,发现与心房去极化、心室去极化和心室复极心脏活动相关的心电图波形分别为P波、QRS复波和T波。

图5 使用HCuM0.13-0.40电极监测人体运动的生理信号、肌电图和心电图

心外膜心电图的活体记录

通过细胞实验可以发现,HCuM 0.13-0.40的细胞毒性可以忽略不计。然后作者将HCuM 0.13-0.40植入大鼠背部皮下4周,以检测体内组织对HCuM 0.13-0.40的免疫应答。与对照组相比,植入HCuM 0.13-0.40大鼠的组织形态没有发生明显变化,同时,水凝胶表现出稳定的导电性(2.5-3.1 S m −1),具有作为可植入传感器长期应用的潜力。与体表心电图相比,植入式心外膜记录心电图P波更清晰,QRS复波振幅更大。在植入术四周内,心电信号波形一致,无信号衰减。

图6 HCuM0.13-0.40的生物相容性和电导率以及长期记录植入心外膜心电图的能力

体内神经信号传递

为了进一步研究HCuM 0.13-0.40在体内记录生物电信号的能力,作者将HCuM 0.13-0.40加工成神经诱导管(NGCs),通过损伤的外围神经组织传递神经信号。大鼠右腿的坐骨神经形成了一个1厘米的间隙缺损,然后用基于HCuM 0.13-0.40的NGCs桥接坐骨神经间隙缺损的两个远端残端。损伤的坐骨神经在被刺激时未观察到复合运动动作电位(CMAP)信号。而当连接到NGCs时,坐骨神经的CMAP为≈30 mV。CMAP和反应时间与正常神经相同,说明其具有良好的神经的传递能力。且在四周的测试中,没有观察到弯曲角度的明显下降,这表明神经信号具有良好的长期应用传输能力。同时,植入四周未见炎症和异物反应,进一步验证了HCuM 0.13-0.40具有良好的组织生物相容性。

图7 植入4周的HCuM0.13-0.40的神经传导能力及稳定性

小结:作者首次用聚(Cu-芳基炔化物)和pNIPAm制备了互穿网络水凝胶,使其具备良好的电子导电性,高抗膨胀性,优良的抗菌性能和高生物相容性。该水凝胶能够获取各种生理压力信息并记录肌电电位,同时还可作为植入式传感器、用于制备NGCs,通过损伤的坐骨神经传导神经信号等,打开了水凝胶材料领域的新前沿。

原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208024

来源:高分子科学前沿

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