【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張珽團(tuán)隊(duì)在《納微快報(bào)》(Nano-Micro Letters)上發(fā)表最新研究成果。該研究開(kāi)發(fā)了一種新策略，通過(guò)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(wú)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(guò)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(duì)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)。
 

　　常規(guī)的水凝膠材料具有容易失水的缺點(diǎn)，長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)期的高導(dǎo)電性能(圖3)。
 

　　得益于纖維復(fù)合水凝膠薄膜超軟和超薄的特性，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同粗糙表面的無(wú)縫貼附，其廣泛可調(diào)的力學(xué)性能幾乎可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有生物軟組織(如腦、肝臟、心臟、肺和皮膚)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)。
 

　　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(zhǎng)期使用性能。商用凝膠電極長(zhǎng)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，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肌電信號(hào)的采集。甘油/NaCl體系的纖維復(fù)合水凝膠電極用于檢測(cè)人體肌電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)和不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度肌肉電信號(hào)的監(jiān)測(cè)(圖5)。
 

　　研究人員通過(guò)將電紡纖維網(wǎng)絡(luò)包埋于水凝膠，開(kāi)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。該工作為超薄柔性生物電子提供了新穎的設(shè)計(jì)和構(gòu)建思路。
 

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
 

圖2 纖維復(fù)合水凝膠薄膜力學(xué)性能
 

圖4 纖維復(fù)合水凝膠薄膜的柔性和貼附性能
 

圖5 纖維復(fù)合水凝膠電極用于人體肌電信號(hào)監(jiān)測(cè)