【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張珽團隊在《納微快報》(Nano-Micro Letters)上發表最新研究成果。該研究開發了一種新策略，通過將電紡纖維網絡嵌入水凝膠中，從而實現同時具有超薄結構和優異力學性能的復合水凝膠薄膜(< 5 μm)的構建。纖維復合水凝膠提供了廣泛的可調模量(從~ 5 kPa 到幾十MPa)，這與大多數生物組織和器官的模量相匹配。超薄的結構和超柔軟特性使電紡纖維復合水凝膠能夠無縫附著在各種粗糙表面上，是構建貼附型生物電子器件的理想材料。
纖維復合水凝膠薄膜基于靜電紡絲、旋涂和凍融聯合技術構建(圖1)。通過調控靜電紡絲時間、旋涂時間和凍融次數，實現對纖維復合水凝膠薄膜理化性質的調控(厚度5微米到毫米；模量幾千帕到幾十兆帕)。例如，增加紡絲時間可顯著提高纖維復合水凝膠薄膜的力學性能；提高旋涂速率，有利于降低纖維復合水凝膠薄膜的厚度；增加凍融次數，可提高水凝膠自身的模量。纖維復合水凝膠具有優異的力學強度，一片厚度僅為7微米水凝膠薄膜可輕松托起20g重量的物體。此外，包埋的纖維網絡可有效抑制應力集中導致的裂紋擴增，賦予纖維復合水凝膠薄膜優異的抗撕裂性能(圖2)。
常規的水凝膠材料具有容易失水的缺點，長期暴露于空氣中時，由于體系水分的蒸發從而使水凝膠體系失效。該研究通過在纖維復合水凝膠體系中摻入甘油作為保水劑，使復合水凝膠體系具有優異的抗失水性能。暴露于空氣中七天后，仍具備優異的柔性。此外，為了改善纖維復合水凝膠的導電性，甘油/NaCl體系使纖維復合水凝膠在空氣中維持長期的高導電性能(圖3)。
得益于纖維復合水凝膠薄膜超軟和超薄的特性，其可實現對各種不同粗糙表面的無縫貼附，其廣泛可調的力學性能幾乎可實現對所有生物軟組織(如腦、肝臟、心臟、肺和皮膚)模量的完美匹配，可伴隨組織產生形變而不損傷組織，是構建柔性生物電子器件的理想材料(圖4)。
基于甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠構建的貼附型生物電極具有比商業凝膠電極更加優異的信噪比和長期使用性能。商用凝膠電極長期(48h)暴露于空氣中會由于失水從而喪失性能，甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠電極在7天后仍舊保持良好信噪比，可實現對人體肌電信號的采集。甘油/NaCl體系的纖維復合水凝膠電極用于檢測人體肌電信號，可實現對不同運動姿勢和不同運動強度肌肉電信號的監測(圖5)。
研究人員通過將電紡纖維網絡包埋于水凝膠，開發了一種制備超軟、超薄、力學增強復合水凝膠的新策略。該工作為超薄柔性生物電子提供了新穎的設計和構建思路。
圖1 纖維復合水凝膠設計和制備
圖2 纖維復合水凝膠薄膜力學性能
圖2 纖維復合水凝膠薄膜力學性能
圖4 纖維復合水凝膠薄膜的柔性和貼附性能
圖5 纖維復合水凝膠電極用于人體肌電信號監測
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