生物電子學(xué)在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、個(gè)人健康監(jiān)護(hù)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，但是，由于柔軟濕潤的生物組織與剛性電子器件之間的差異，開發(fā)更兼容、更有效和更穩(wěn)定的生物電子接口一直是生物傳感領(lǐng)域的難題之一。離子導(dǎo)電水凝膠因其柔軟濕潤的三維結(jié)構(gòu)、與組織相似的機(jī)械特性、與人體一致的導(dǎo)電機(jī)制和優(yōu)異的刺激響應(yīng)性在生物電子學(xué)領(lǐng)域扮演了重要角色。然而，開發(fā)出集優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性、保水性、自粘性和抗菌性等于一體的水凝膠材料仍具有很大的挑戰(zhàn)，也是目前制約該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問題。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)診療材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)用高分子材料團(tuán)隊(duì)周揚(yáng)副研究員等成功制備了一種具有優(yōu)異綜合性能的離子導(dǎo)電水凝膠材料，該水凝膠兼具拉伸性、導(dǎo)電性、應(yīng)變響應(yīng)性、自我再生和鎖水保濕能力、自粘附性、抗菌性及生物相容性等性能，在健康監(jiān)測、穿戴式/非接觸式心電信號(hào)監(jiān)測以及感染創(chuàng)面修復(fù)等方面展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。
研究人員精心設(shè)計(jì)和合成了一種脲基-離子液體(UL)。通過化學(xué)方法將脲基引入咪唑型離子液體的側(cè)鏈，合成了UL離子液體，提高了咪唑型離子液體固有的抗菌能力，并改善了生物相容性。通過篩選水凝膠組分、對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，將合成的UL離子液體與甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿(SBMA)、丙烯酰胺(AM)引入水凝膠體系，加入氯化鈉作為增強(qiáng)導(dǎo)電的介質(zhì)，通過光引發(fā)使單體原位共聚制備得到了ULAS水凝膠。與傳統(tǒng)的咪唑型離子液體相比，脲基-離子液體顯著提高了水凝膠的機(jī)械性能，包括拉伸強(qiáng)度(340 kPa)、斷裂伸長率(1075%)、韌性和抗疲勞性。UL顯著提高了水凝膠的離子導(dǎo)電性，同時(shí)水凝膠具有優(yōu)異的應(yīng)變響應(yīng)能力，GF值可達(dá)3.45。ULAS水凝膠具有自修復(fù)、保水、自我再生和自粘附等優(yōu)異的綜合性能。將ULAS水凝膠組裝成高度靈敏的應(yīng)變傳感器，為監(jiān)測不同尺度的生理、運(yùn)動(dòng)信號(hào)提供了可行策略；將ULAS水凝膠應(yīng)用于心電監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了穿戴式和非接觸式心電監(jiān)測的靈敏度和舒適度，特別是將非接觸式心電監(jiān)測系統(tǒng)用于需長期靜臥病人的心電監(jiān)護(hù)時(shí)，可監(jiān)測到準(zhǔn)確的心電信號(hào)，而且不會(huì)造成床單、衣物和皮膚的潤濕，大大降低了長期臥床病人患褥瘡的風(fēng)險(xiǎn)。此外，與帶有C4脂肪鏈的傳統(tǒng)咪唑型離子液體相比，脲基-離子液體的生物相容性顯著提高，并且增強(qiáng)了ULAS水凝膠的抗菌性能，表現(xiàn)出廣譜抗菌功效，特別是對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)具有強(qiáng)大的抗菌活性。ULAS水凝膠的導(dǎo)電性使它們成為電刺激(ES)療法電極貼片的理想選擇，能有效加速感染創(chuàng)面的愈合。
該工作以“Ureido-Ionic Liquid Mediated Conductive Hydrogel: Superior Integrated Properties for Advanced Biosensing Applications”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Science上(Adv. Sci. 2024, 2401869，DOI: 10.1002/advs.202401869)。溫州醫(yī)科大學(xué)與寧波材料所合培碩士生紀(jì)睿穎為第一作者，周揚(yáng)副研究員為通訊作者。該研究得到了寧波市科技創(chuàng)新2025重大項(xiàng)目(2020Z091)、國家自然科學(xué)基金(22007090)、深圳市高新區(qū)發(fā)展特別計(jì)劃坪山區(qū)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(29853MKCJ202300208)、寧波市自然科學(xué)基金(2022J048)以及浙江省自然科學(xué)基金(LQ21E030006)的支持。
ULAS水凝膠及其生物電子學(xué)應(yīng)用
