Advanced Healthcare Materials:具有抗菌性能的透明柔性电子系统

随着人工智能的普及,可穿戴柔性电子设备显示出巨大的市场潜力。作为柔性电子设备的核心部件,柔性应变传感器在人体健康监测中具有广泛的应用前景,包括电子皮肤、人机交互系统和可植入设备。作为生物组织的模拟物,水凝胶是物理或化学交联的聚合物网络,含水量高,可以设计成具有类似于人类皮肤的机械性能。水凝胶中的高含水量允许导电盐离子溶解在水凝胶网络中以开发柔性电子设备。当导电水凝胶用于电子设备的开发时,除了导电性之外,它们还可以赋予诸如拉伸性、粘附性、生物相容性、稳定性和细菌抗性等特性。多功能导电水凝胶适用于皮肤或伤口部位的长期佩戴和可植入应用。然而,水凝胶的高含水量提供了支持细菌生长的环境。与干式导电聚合物传感器相比,湿式导电水凝胶更有可能让皮肤表面或外部环境中的微生物生存和繁殖,皮肤组织易受细菌感染。这些被吸收的微生物会引起炎症反应和伤口感染,对人类健康构成直接威胁。此外,细菌生长可能会增加传感器更换的频率并缩短水凝胶设备的寿命。因此,设计具有抗菌性能的导电水凝胶具有重要意义。

西北大学范代娣教授课题组报道了一种具有抗菌性能的透明柔性电子系统。该系统以相对经典的聚丙烯酰胺/琼脂(PAM/Agar)双网络水凝胶为基质,随着单宁酸-硼砂 (TA-B)复合物的引入,水凝胶成为具有优秀机械性能、透光性、导电性和抗菌性的柔性应变传感器。硼砂作为离子导体,可以赋予 PAM/ Agar双网络水凝胶稳定的导电性和更高的灵敏度。优异的机械性能使水凝胶在使用过程中不易损坏,从而避免因损坏而导致的应变传感不准确。出色的透光性是伤口可视化的理想选择,同时避免了因去除用于伤口评估的常规敷料而造成的物理创伤和潜在感染。当用于伤口和内脏时,TA 和硼砂的抗菌特性降低了感染的风险。因此,通过对皮肤或伤口和内脏的动态连续监测,可以获得更可靠的电阻传感数据。因此,PAM/Agar/TA-B 水凝胶作为具有抗菌性能的电子设备的基材具有巨大的潜力,可用于未来的健康测试和可植入设备。

图文摘要

TA 和硼砂在溶液中形成硼酸酯键以产生复合物。然后加入AM、琼脂、MBA和UV引发剂(UV1173),在高温下搅拌至完全溶解。在高温下,琼脂糖以溶胶-凝胶状态作为随机盘绕结构存在。此时,将预凝胶注入任意形状的模具中,当在 4°C 冷却时,琼脂经历了从螺旋到螺旋的结构转变。这一步形成了第一个水凝胶网络。然后将样品短时间暴露于紫外线下以引发 AM 的聚合并形成 PAM 网络,从而制备处抗菌、强韧、透明的导电水凝胶。

图1:PAM/Agar/TA-B 水凝胶的制备过程示意图以及PAM/Agar/TA-B 水凝胶的 SEM 图像。

平板上抗菌环的直径表示水凝胶的抗菌效果。PAM/Agar/TA-B水凝胶组可见明显的抗菌圈,结果表明,该水凝胶具有良好的抗菌性能,当与皮肤、组织表面和身体其他器官直接接触时,水凝胶在实际应用中可防止感染。

图2:PAM/Agar/TA-B 水凝胶的抗菌特性:抑菌圈照片和 LB 液体培养基和水凝胶共培养中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌密度。

作为人体健康检测设备,水凝胶用作柔性导体,连接到多通道触摸屏数字仪表 (Tektronix DMM6500) 以监测麻醉大鼠的心跳。电信号稳定,心跳平稳,信号输出规律。由于其抗菌特性和生物相容性,导电水凝胶确保伤口部位不被感染。透明水凝胶允许观察缝合伤口、目视检查愈合过程,并确定愈合过程中是否存在感染。水凝胶连接到多通道阻力测试仪以监测和记录愈合过程。

图3:实时人体健康监测:监测麻醉大鼠心脏,腹部伤口,内脏器官

中国西北大学范代娣教授为通讯作者。

讯作者简介

范代娣,西北大学二级教授、博士生导师,西北大学化工学院院长及生物医药研究院院长,生物材料国家地方联合工程研究中心主任,陕西省生物材料与发酵工程“四主体一联合”工程中心主任,陕西省可降解生物医用材料重点实验室主任,入选中国化工学会会士、国家“万人计划”领军人才、新世纪“百千万工程”国家级人选、科技部“创新人才推进计划”,享有国务院政府特殊津贴专家。主要从事发酵工程,可降解生物材料,抗癌药物,预防医学和营养医学等方面研究。

论文信息:

Antibacterial Dual Network Hydrogels for Sensing and Human Health Monitoring

Huan Lei, Jing Zhao, Xiaoxuan Ma, Hang Li, Daidi Fan*

Advanced Healthcare Materials

DOI: 10.1002/adhm.202101089

原文链接:https://doi.org/10.1002/adhm.202101089