中山大学付俊教授团队Materials Horizons：两性离子水凝胶传感器无线监测器官运动
植入式生物医学设备已广泛应用于临床，在疾病诊断、监测、治疗以及生命支持、监护等方面发挥关键作用。传统的植入设备存在与组织器官机械性能不匹配，界面适应性差，界面阻抗，生物相容性欠佳等问题。基于水凝胶的柔性电子器件模量与生物组织相似，生物相容性好，界面顺应性好，界面阻抗较小，在植入式电子器件领域有重要的应用前景。然而，传统的水凝胶传感器存在机械强度较弱、传感灵敏度较低、组织黏附性差等问题，不利于实时采集组织器官的生理或运动信号，也不利于柔性设备稳定工作。另一方面，水凝胶的强度和模量与组织黏附性能常常存在矛盾，难以兼得。受贻贝启发，基于多巴胺黏附机理的水凝胶较好地解决了皮肤表面黏附问题，但黏附性能有待进一步提高。利用氢键、动态共价键等将水凝胶与生物组织黏附，仍存在黏附强度较低的问题。因此，如何设计制备具有较强组织黏附能力的导电水凝胶，实现水凝胶与目标组织器官的牢固且密切的黏附，研究高性能可植入水凝胶电子器件，监测组织器官的运动，是本领域亟待解决的科学问题。
中山大学付俊教授团队综合运用贻贝启发的聚多巴胺黏附机理和两性离子黏附机理，发明了一种组织粘附型离子导电水凝胶，具有出色的拉伸性能、高韧性和自愈合性能，能够自主牢固地粘附在心脏、肝脏和肺等器官上，实现了对器官运动信号的实时采集，并通过无线传输进行远程监控（图1）。
图1.（a）聚多巴胺两性离子纳米复合水凝胶制备示意图；（b）PDA-clay-PSBMA水凝胶的粘附机理；（c）水凝胶传感器监测目标器官震动示意图
付俊教授团队合成了粘土交联的聚两性离子水凝胶，并在其中引入聚多巴胺，结合两性离子的强静电偶极和聚多巴胺的仿生黏附机制，实现了水凝胶在组织表面牢固粘附。一方面，多巴胺单体吸附在粘土纳米片上，氧化聚合后，部分残留的儿茶酚基团可与组织表面的官能团形成氢键，或发生迈克尔加成，席夫碱反应等。另一方面，甜菜碱型两性离子具有强静电偶极，可与组织表面极性基团行程偶极-偶极作用或氢键、静电等作用。因此，多巴胺与两性离子协同作用，赋予水凝胶对生物组织的牢固粘附（图2a）。该水凝胶在心脏表面的粘附强度高达19.4kPa（图2b），水凝胶粘附到猪皮表面并剥离十次后，粘附强度仍保持在16.1 kPa左右（图2c），与商用的纤维蛋白胶水的性能相当。
图2. PDA-clay-PSBMA水凝胶与生物组织的粘附性能
该水凝胶具有离子导电性能，对应力和应变敏感，应变传感灵敏度可达4.3.因此，将水凝胶直接黏附在关节皮肤表面，无需使用胶带或者其他胶粘剂，可实时监测手指、膝关节等的运动（图3a,b）。水凝胶与皮肤黏附非常牢固，即使在跳绳这种剧烈运动条件下，水凝胶传感器仍可以牢固的粘附在膝关节上，不会脱落，并实时采集膝关节运动信号（图4）。水凝胶传感器的灵敏度高，可准确地检测吞咽（图3c）和脉搏等微弱信号。以水凝胶作为基本单元，构筑了模拟人体皮肤的二维凝胶传感器阵列，每个阵列单元可以独立地记录应力变化，能及时、准确地反映阵列表面微小的应力刺激及其分布（图3d）。该水凝胶传感器在人体姿态捕捉、心电图、柔性阵列传感器等方面有重要应用前景。
图3. PDA-clay-PSBMA水凝胶的传感性能。(a)指关节，(b)膝关节，(c)咽喉，(d)阵列式传感器的平面传感信号分布。
图4. 水凝胶传感器监测跳绳时关节运动
该导电水凝胶卓越的组织黏附能力为组织器官实时监测提供了可能。例如，将水凝胶直接黏附在肺叶表面，可瞬间封堵肺叶瘘孔，体外研究进一步表明，在模拟呼吸状态下，水凝胶-肺界面保持稳定，有利于快速解决急性气胸症状，维持正常呼吸（图5a）。同样地，水凝胶可瞬间粘贴在受损心脏表面，在模拟心脏搏动过程中保持稳定（图5b）。同时，该水凝胶可实时监测肺或心脏的运动特征（图5c）。将无线信号传输设备集成在该水凝胶传感器上，实现了对器官运动状况的远程实时监控（图5d）。可见，该水凝胶传感器可黏附在组织器官表面，实时监测组织器官运动和健康状况，并将采集的信号通过无线传输，为实现远程实时医疗、护理、健康管理等提供了新的思路在可植入医疗器械领域，具有广泛的应用前景。
图5. 水凝胶黏附并封堵(a)肺和(b)心脏瘘孔，并模拟呼吸和心脏跳动状态。(c)肺模拟呼吸时的监测信号。(d)实时监测模拟肺呼吸和信号无线传输。
该研究成果以“Stretchable, Self-Healing and Tissue-Adhesive Zwitterionic Hydrogels as Strain Sensors for Wireless Monitoring of Organ Motions”为题，发表于Materials Horizons, 2020, DOI: 10.1039/D0MH00361A。硕士生裴欣洁为第一作者，付俊教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(51873224)的支持。
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/mh/d0mh00361a
付俊教授简介
中科院“百人计划”、中山大学“百人计划”、浙江省杰出青年基金入选者。英国皇家学会学术期刊J Mater Chem B和Wiley出版社J Polym Sci编委。2005年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室。2005年至2007年留学于德国马普高分子研究所，2007年至2010年留学于美国哈佛医学院附属麻省总医院。2010年加入中科院宁波材料所，任研究员。2019年8月加入中山大学材料科学与工程学院，任教授，博导。围绕柔性驱动、柔性传感与可穿戴设备、组织工程等领域对高性能与功能水凝胶材料的需求，重点研究高强韧、自修复水凝胶制备与构效关系；响应型水凝胶及驱动器；水凝胶柔性传感器与可穿戴设备；水凝胶组织工程材料；生物3D打印等。
相关成果已在Adv Funct Mater, Mater Horizons, Chem Mater, ACS Appl Mater Interfaces, Chem Commun, ACS Macro Lett, Macromolecules等高水平期刊发表论文110多篇，出版英文专著1部，全部论文累计被引用4300余次，H指数35。授权发明专利20多项。
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