基于温度响应型粘性水凝胶的柔性电子传感器，可用于人体健康监测
2022-08-13 09:59:47   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，受氢键具有温度可逆性的启发，西北大学惠俊峰教授、范代娣教授和南京工业大学霍峰蔚教授团队通过使用生物相容性聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）、植酸（phytic acid，PA）和明胶（gelatin，Gel），开发了一种具有多重氢键的皮肤友好型导电水凝胶。所获得的PVA/PA/Gel（PPG）水凝胶具有温度触发可调机制，能够在热敷下可靠地粘附在皮肤上并检测电生理信号，同时在冷敷下很容易去除。此外，PPG水凝胶的透明性、透气性和抗菌活性等额外优势确保了其在皮肤上的长期可穿戴价值。生产过程中废弃的PPG水凝胶可以基于可逆氢键键合原理进行回收利用，既环保又节约成本。在人体健康监测领域，PPG水凝胶传感器有望在记录电生理信号方面具有良好的应用前景。

柔性电子设备通过检测各种重要信号，包括物理信号（如应变和运动）和电生理信号【如心电图（electrocardiogram，ECG）、脑电图（electroencephalography，EEG）和肌电图（electromyogram，EMG）信号】，在人类健康监测和医疗诊断中发挥着重要作用。可穿戴性是未来柔性电子发展的关键技术。水凝胶具有类似组织的柔软性，同时又具有韧性和可拉伸性，为生物植入、组织再生和电子皮肤设备提供了平台。基于水凝胶的离子皮肤可以减少电子-离子界面电阻和运动伪影，以获得更准确的检测结果，为自然生物和人工设备之间的交互信息传输铺平道路。然而，这种传感器的粘附性通常不能满足实际应用的需求。如果与皮肤的粘附力太弱，传感器将在身体运动过程中任意移动，从而导致运动伪影、噪声数据和随后的误诊；如果与皮肤的粘附力太强，传感器在移除时可能会对用户造成炎症、刺激和疼痛。因此，需要设计新一代基于水凝胶的皮肤粘合剂以满足当前需求。

为此，人们在调节装置与皮肤之间粘附力方面已经做了诸多努力。水凝胶粘合剂很受关注，因为它的粘附性可以通过在互补官能团（碳-碳、碳-氮、硅氧烷、酰胺等）和物理相互作用（如离子键、氢键、主客体相互作用和范德华相互作用）的帮助下改变化学组成和表面基团来定制。一种有效的策略是通过分离触发器去除强粘附力，实现按需分离水凝胶。然而，人们已经意识到使用化学试剂触发器所存在的问题。一方面，额外的化学物质可能会造成皮肤损伤；另一方面，皮肤分泌的代谢物可能成为潜在的触发器，导致水凝胶分离及功能失调。物理诱导的可分离【近红外（near-infrared，NIR）、紫外（ultraviolet，UV）和温度】水凝胶可以避免这些问题，因此引起了广泛关注。其中，温控水凝胶对用户来说很方便，因为它们可以由人体温度触发，而无需额外的化学物质或装置。研究人员设计了一种温度触发的按需剥离贴纸，可在26至32℃之间提供高粘附性 ，同时在冷却至低于21℃的温度后，可将其剥离。受章鱼吸盘的肌肉驱动粘附机制的启发，有人制备了一种具有温度触发的皮肤粘合水凝胶贴片，在20℃和37℃下具有不同的皮肤锚定强度。众所周知，环境温度在冬季通常低于20℃，夏季高于40℃，这意味着水凝胶的粘附性在日常生活中不稳定，应进一步改善。一种流行的发展趋势是设计一种机械性能可调的水凝胶粘合剂。

受氢键具有温度可逆性的启发，生物相容性聚乙烯醇（PVA）和明胶（Gel）已被用于构建氢键交联的水凝胶网络，植物中的植酸（PA）通过形成多重氢键来加强PVA-Gel水凝胶网络并充当质子供体以提高水凝胶电导率。西北大学和南京工业大学的研究人员提出了一种简便的策略，以制备温度触发的粘附性在4℃到55℃之间的皮肤友好型水凝胶。得益于氢键和离子键的可逆性，PVA/PA/Gel（PPG）水凝胶可以避免在剥离过程中对皮肤造成伤害。具体而言，弱氢键将通过约55℃的热敷被破坏，使PPG水凝胶粘附并保持附着在皮肤上，以便在静止和运动期间检测具有较少运动伪影的电生理信号。所获得的粘附性可以一直保持，直到冷敷才得以触发氢键重整。这种策略使PPG水凝胶能够用于监测人类健康，因为它具有良好的透明度、自适应性、透气性、保水性和抗菌活性。此外，通过可逆离子键和氢键交联，生产过程中废弃的PPG水凝胶可以回收利用，以减少资源浪费、生产成本和环境污染。

PPG水凝胶机理示意图

由于生物相容性水凝胶通常为细菌提供了合适的生存环境，因此将水凝胶直接粘贴在皮肤上意味着将细菌接种在皮肤上，这会带来细菌感染的潜在风险。因此，研究水凝胶材料的抗菌性能至关重要，实验结果如下图所示。由于PA具有较强的螯合金属离子和蛋白质的能力，可作用于细菌细胞壁，导致细胞壁合成受到抑制、细胞膜受损以及大量细菌死亡。因此，富含PA的PPG水凝胶具有良好的抗菌效果。

PPG水凝胶的生物相容性

为了评估其灵敏度和响应，将PPG水凝胶作为可穿戴传感器附着在志愿者的手指关节上，以收集电生理信号。实验结果表明，基于PPG水凝胶的传感器具有高灵敏度和快速响应，满足人体监护仪的要求。

PPG水凝胶的电性能

研究人员还组装了一个基于PPG水凝胶的便携式传感器，通过蓝牙设备实时追踪人体的电生理信号，无需任何笨重的附属设备，就能清晰地输出规律的心跳信号。与商用贴片相比，PPG水凝胶还具有适应能力强、与人体皮肤紧密贴合的特点，有利于实时记录有效信号并连续诊断健康状况。

PPG水凝胶作为心电图检测的传感器贴片

总之，作为一种安全舒适的皮肤贴片，由生物相容性PVA和PA构成的PPG水凝胶具有良好的透明度、透气性、保水性和抗菌活性。此外，自适应、自愈和导电性有效地控制了水凝胶与皮肤之间的高生物电阻抗，使PPG水凝胶能够在运动过程中收集电生理信号。当用作心电图诊断的电极时，PPG水凝胶可以重复使用，并在志愿者休息、行走和深呼吸时提供稳定的电生理信号。此外，PPG水凝胶具有良好的再成型性和可重复使用性，使废料可以重复使用，从而满足环保要求。因此，PPG水凝胶作为传感器在人体健康监测中被认为具有良好的应用前景。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41528-022-00193-5

延伸阅读：

《水凝胶技术及市场-2022版》

《电子皮肤贴片技术及市场-2021版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《可穿戴技术及市场-2021版》