Advanced Functional Materials:仿生离子皮肤用于糖尿病伤口肿胀、发炎及血糖三种指标的实时监测与信号解耦

研究背景

仿生皮肤材料可模拟人类皮肤感知外界多种刺激,如温度、压力和气流等,近年来在医疗监控、人工智能等领域有着广泛的应用。目前,仿生皮肤领域的研究已取得了显著进展,但开发出可同时响应多种外界信号且可区分每种响应信号的仿生皮肤传感器仍然具有挑战性。通过集成多个独立的传感器来实现多功能传感,导致器件制造过程十分复杂、成本高昂;而试图利用单一传感单元实现多刺激信号响应,却无法避免信号间的严重干扰,信号解耦困难。

文章概述

近期,天津大学化工学院张雷教授课题组基于两性离子水凝胶开发出一种三明治结构的温度-应变-葡萄糖响应型离子皮肤传感系统,该系统独特的设计解决了传感器领域中信号干扰以及信号解耦困难的问题,实现了伤口感染情况、伤口表面肿胀和血糖浓度三种信号的监测与区分。基于该传感系统研发的新型智能离子皮肤不仅能作为伤口敷料促进慢性伤口愈合,还能用于伤口表面的信号监测,并为糖尿病患者的血糖预警提供了新的途径。本文第一作者为郭洪爽,柏鸣和朱迎男,通讯作者为张雷教授和杨静副教授。该研究得到了国家自然科学基金和天津自然科学基金的支持。

图文导读

该工作首先利用两性离子单体羧基甜菜碱(SBMA)、温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)与甲基丙烯酰胺苯硼酸(MPBA)共聚后浸泡于盐溶液获取离子导电性,合成出一种多响应型导电水凝胶(SB-N-MB)。离子皮肤传感器件的上下层为SB-N-MB水凝胶层,中间层为绝缘弹性体VHB:(1)下层可以对温度、应变和葡萄糖浓度三个指标产生电信号(电阻:R1);(2)上层由于中间有绝缘膜,仅检测温度和应变的电信号(电阻:R2);(3)三层结构形成了一个对温度和葡萄糖不敏感的电容传感器,检测应变信号C0并根据标准曲线可将电容(C0)转换成电阻(R0)。因此,|△R0|代表应变的变化,|△(R2-R0)|代表温度的变化,|△(R1-R2)|代表葡萄糖的变化(图1)。为了更直观地体现该三层结构传感器对温度、压力和葡萄糖浓度产生电信号之间的区别,作者分别对上层电阻传感器、下层电阻传感器和三层结构的电容传感器进行了多信号协同变化的传感实验并且对其进行三维信号拟合(图2)。另外,作者通过糖尿病模型小鼠进行了创面愈合实验与实时监测传感实验,证明了该传感伤口敷料不仅能促进糖尿病小鼠伤口的细胞增殖与组织修复、加快创面愈合,还能连续实时监测与区分伤口肿胀、炎症、血糖三种指标以监控伤口状态(图3)。

图1. 基于多响应型离子皮肤的三明治结构传感器示意图和水凝胶的合成途径。
图2. 基于SB-N-MB水凝胶的三层结构传感器的多重刺激响应。
图3. 对糖尿病小鼠伤口进行伤口愈合实验和连续实时监测。

作者简介

张雷,天津大学化工学院生物化工系教授、博士生导师、系主任。获国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、教育部“新世纪优秀人才支撑计划”、天津市“中青年科技创新领军人才”、“侯德榜化工青年奖”、“天津首届青年创新能手”等,担任《中国化工学报(英文版)》,Biomedical Materials等SCI期刊编委。一直致力于研究开发具有抗生物粘附、抗冻保护等独特性质的新型亲水分子,并将其应用于生物化工多个领域,包括免疫屏蔽材料、超低温冻存、抗冻材料、海洋涂料、电子皮肤、抗菌材料等。

杨静,天津大学化工学院副教授、博士生导师、科技委人才。主要从事细胞保存、仿生抗冰材料、柔性电子皮肤材料等领域的研究。

论文信息:

Pro-healing zwitterionic skin sensor enables multi-indicator distinction and continuous real-time monitoring

Hongshuang Guo, Ming Bai, Yingnan Zhu, Xinmeng Liu, Shu Tian, You Long, Yiming Ma, Chiyu Wen, Qingsi Li, Jing Yang*, Lei Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106406

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106406