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  植入式生物醫學設備已廣泛應用于臨床，在疾病診斷、監測、治療以及生命支持、監護等方面發揮關鍵作用。傳統的植入設備存在與組織器官機械性能不匹配，界面適應性差，界面阻抗，生物相容性欠佳等問題。基于水凝膠的柔性電子器件模量與生物組織相似，生物相容性好，界面順應性好，界面阻抗較小，在植入式電子器件領域有重要的應用前景。然而，傳統的水凝膠傳感器存在機械強度較弱、傳感靈敏度較低、組織黏附性差等問題，不利于實時采集組織器官的生理或運動信號，也不利于柔性設備穩定工作。另一方面，水凝膠的強度和模量與組織黏附性能常常存在矛盾，難以兼得。受貽貝啟發，基于多巴胺黏附機理的水凝膠較好地解決了皮膚表面黏附問題，但黏附性能有待進一步提高。利用氫鍵、動態共價鍵等將水凝膠與生物組織黏附，仍存在黏附強度較低的問題。因此，如何設計制備具有較強組織黏附能力的導電水凝膠，實現水凝膠與目標組織器官的牢固且密切的黏附，研究高性能可植入水凝膠電子器件，監測組織器官的運動，是本領域亟待解決的科學問題。

  中山大學付俊教授團隊綜合運用貽貝啟發的聚多巴胺黏附機理和兩性離子黏附機理，發明了一種組織粘附型離子導電水凝膠，具有出色的拉伸性能、高韌性和自愈合性能，能夠自主牢固地粘附在心臟、肝臟和肺等器官上，實現了對器官運動信號的實時采集，并通過無線傳輸進行遠程監控（圖1）。

圖1.（a）聚多巴胺兩性離子納米復合水凝膠制備示意圖；（b）PDA-clay-PSBMA水凝膠的粘附機理；（c）水凝膠傳感器監測目標器官震動示意圖

  付俊教授團隊合成了粘土交聯的聚兩性離子水凝膠，并在其中引入聚多巴胺，結合兩性離子的強靜電偶極和聚多巴胺的仿生黏附機制，實現了水凝膠在組織表面牢固粘附。一方面，多巴胺單體吸附在粘土納米片上，氧化聚合后，部分殘留的兒茶酚基團可與組織表面的官能團形成氫鍵，或發生邁克爾加成，席夫堿反應等。另一方面，甜菜堿型兩性離子具有強靜電偶極，可與組織表面極性基團行程偶極-偶極作用或氫鍵、靜電等作用。因此，多巴胺與兩性離子協同作用，賦予水凝膠對生物組織的牢固粘附（圖2a）。該水凝膠在心臟表面的粘附強度高達19.4kPa（圖2b），水凝膠粘附到豬皮表面并剝離十次后，粘附強度仍保持在16.1 kPa左右（圖2c），與商用的纖維蛋白膠水的性能相當。

圖2. PDA-clay-PSBMA水凝膠與生物組織的粘附性能

  該水凝膠具有離子導電性能，對應力和應變敏感，應變傳感靈敏度可達4.3.因此，將水凝膠直接黏附在關節皮膚表面，無需使用膠帶或者其他膠粘劑，可實時監測手指、膝關節等的運動（圖3a,b）。水凝膠與皮膚黏附非常牢固，即使在跳繩這種劇烈運動條件下，水凝膠傳感器仍可以牢固的粘附在膝關節上，不會脫落，并實時采集膝關節運動信號（圖4）。水凝膠傳感器的靈敏度高，可準確地檢測吞咽（圖3c）和脈搏等微弱信號。以水凝膠作為基本單元，構筑了模擬人體皮膚的二維凝膠傳感器陣列，每個陣列單元可以獨立地記錄應力變化，能及時、準確地反映陣列表面微小的應力刺激及其分布（圖3d）。該水凝膠傳感器在人體姿態捕捉、心電圖、柔性陣列傳感器等方面有重要應用前景。

圖3. PDA-clay-PSBMA水凝膠的傳感性能。(a)指關節，(b)膝關節，(c)咽喉，(d)陣列式傳感器的平面傳感信號分布。

圖4. 水凝膠傳感器監測跳繩時關節運動

  該導電水凝膠卓越的組織黏附能力為組織器官實時監測提供了可能。例如，將水凝膠直接黏附在肺葉表面，可瞬間封堵肺葉瘺孔，體外研究進一步表明，在模擬呼吸狀態下，水凝膠-肺界面保持穩定，有利于快速解決急性氣胸癥狀，維持正常呼吸（圖5a）。同樣地，水凝膠可瞬間粘貼在受損心臟表面，在模擬心臟搏動過程中保持穩定（圖5b）。同時，該水凝膠可實時監測肺或心臟的運動特征（圖5c）。將無線信號傳輸設備集成在該水凝膠傳感器上，實現了對器官運動狀況的遠程實時監控（圖5d）。可見，該水凝膠傳感器可黏附在組織器官表面，實時監測組織器官運動和健康狀況，并將采集的信號通過無線傳輸，為實現遠程實時醫療、護理、健康管理等提供了新的思路在可植入醫療器械領域，具有廣泛的應用前景。

圖5. 水凝膠黏附并封堵(a)肺和(b)心臟瘺孔，并模擬呼吸和心臟跳動狀態。(c)肺模擬呼吸時的監測信號。(d)實時監測模擬肺呼吸和信號無線傳輸。

  該研究成果以“Stretchable, Self-Healing and Tissue-Adhesive Zwitterionic Hydrogels as Strain Sensors for Wireless Monitoring of Organ Motions”為題，發表于Materials Horizons, 2020, DOI: 10.1039/D0MH00361A。碩士生裴欣潔為第一作者，付俊教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(51873224)的支持。

  文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/mh/d0mh00361a

付俊教授簡介

  中科院“百人計劃”、中山大學“百人計劃”、浙江省杰出青年基金入選者。英國皇家學會學術期刊J Mater Chem B和Wiley出版社J Polym Sci編委。2005年博士畢業于中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室。2005年至2007年留學于德國馬普高分子研究所，2007年至2010年留學于美國哈佛醫學院附屬麻省總醫院。2010年加入中科院寧波材料所，任研究員。2019年8月加入中山大學材料科學與工程學院，任教授，博導。圍繞柔性驅動、柔性傳感與可穿戴設備、組織工程等領域對高性能與功能水凝膠材料的需求，重點研究高強韌、自修復水凝膠制備與構效關系；響應型水凝膠及驅動器；水凝膠柔性傳感器與可穿戴設備；水凝膠組織工程材料；生物3D打印等。

  相關成果已在Adv Funct Mater, Mater Horizons, Chem Mater, ACS Appl Mater Interfaces, Chem Commun, ACS Macro Lett, Macromolecules等高水平期刊發表論文110多篇，出版英文專著1部，全部論文累計被引用4300余次，H指數35。授權發明專利20多項。