【儀表網 研發快訊】生物電子學在人體運動監測、個人健康監護和醫療診斷領域具有廣泛應用，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，開發更兼容、更有效和更穩定的生物電子接口一直是生物傳感領域的難題之一。離子導電水凝膠因其柔軟濕潤的三維結構、與組織相似的機械特性、與人體一致的導電機制和優異的刺激響應性在生物電子學領域扮演了重要角色。然而，開發出集優異的機械性能、導電性、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，也是目前制約該領域發展的瓶頸問題。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進診療材料與技術實驗室生物醫用高分子材料團隊周揚副研究員等成功制備了一種具有優異綜合性能的離子導電水凝膠材料，該水凝膠兼具拉伸性、導電性、應變響應性、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，在健康監測、穿戴式/非接觸式心電信號監測以及感染創面修復等方面展現出重要的應用潛力。
研究人員精心設計和合成了一種脲基-離子液體(UL)。通過化學方法將脲基引入咪唑型離子液體的側鏈，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、對水凝膠網絡進行合理設計，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導電的介質，通過光引發使單體原位共聚制備得到了ULAS水凝膠。與傳統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械性能，包括拉伸強度(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電性，同時水凝膠具有優異的應變響應能力，GF值可達3.45。ULAS水凝膠具有自修復、保水、自我再生和自粘附等優異的綜合性能。將ULAS水凝膠組裝成高度靈敏的應變傳感器，為監測不同尺度的生理、運動信號提供了可行策略；將ULAS水凝膠應用于心電監測系統，有效提高了穿戴式和非接觸式心電監測的靈敏度和舒適度，特別是將非接觸式心電監測系統用于需長期靜臥病人的心電監護時，可監測到準確的心電信號，而且不會造成床單、衣物和皮膚的潤濕，大大降低了長期臥床病人患褥瘡的風險。此外，與帶有C4脂肪鏈的傳統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，并且增強了ULAS水凝膠的抗菌性能，表現出廣譜抗菌功效，特別是對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)具有強大的抗菌活性。ULAS水凝膠的導電性使它們成為電刺激(ES)療法電極貼片的理想選擇，能有效加速感染創面的愈合。
該工作以“Ureido-Ionic Liquid Mediated Conductive Hydrogel: Superior Integrated Properties for Advanced Biosensing Applications”為題，發表在學術期刊Advanced Science上(Adv. Sci. 2024, 2401869，DOI: 10.1002/advs.202401869)。溫州醫科大學與寧波材料所合培碩士生紀睿穎為第一作者，周揚副研究員為通訊作者。該研究得到了寧波市科技創新2025重大項目(2020Z091)、國家自然科學基金(22007090)、深圳市高新區發展特別計劃坪山區創新平臺建設項目(29853MKCJ202300208)、寧波市自然科學基金(2022J048)以及浙江省自然科學基金(LQ21E030006)的支持。
ULAS水凝膠及其生物電子學應用
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