木质素作为天然“粘合剂”,分子中愈创木酚(G)和紫丁香酚(S)单元的甲氧基转化成酚羟基,可生成贻贝粘附蛋白关键组分DOPA中的邻苯二酚结构,在柔性电子如表皮电极中作为粘附材料极具应用前景。但是,木质素中甲氧基在氧化生成半醌自由基并进一步生成邻苯二酚基团的过程会消耗自由基,形成严重的阻聚效应。因此,大多木质素基仿生粘附凝胶中的木质素含量极低(< 1 wt.%),无法发挥木质素的粘附性能,影响表皮电极的功能,提高木质素的含量从而提升凝胶的粘附性能至关重要。
另一方面,理想的表皮电极应当具备强韧粘附性,可以按需剥离,同时还需对人体运动或皮肤变形传感信号免疫。但是,均相凝胶无法同时实现强粘附和按需剥离,制造应变不敏感电极也较为困难,即使是理想的均匀导电材料,其电导率在应变恒定时,其电阻也是应变的函数。
近日,华南理工大学生物质资源化工团队钱勇教授等受贻贝足蛋白中邻苯二酚超强粘附机制启发,通过实验设计和理论计算深入研究了木质素磺酸钠在凝胶网络聚合过程中脱甲基并形成邻苯二酚结构的反应过程,克服了木质素磺酸钠的阻聚效应,木质素磺酸钠的添加量大幅提高至10 wt%,制备出了基于木质素磺酸钠的强韧粘附有机水凝胶,在皮肤表面的界面韧性达到728 J m–2。在此基础上,仿中国传统剪纸工艺,引入变性丝素蛋白形成间隔分布的非粘附条纹,实现沿不同方向14.2倍剥离力差异的各向异性粘附。在此基础上,该各向异性粘附凝胶导电性良好,且应变不敏感,制备的表皮电极检测心电和肌电信号时无运动伪影,性能由于商业电极。该工作以“Lignosulfonate-derived Conducting Organohydrogel As Anisotrpic Bioadhesive for Motion-artifact-free Epidermal Bioelectronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。南方科技大学郭传飞教授为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(22122804, 22378143, T2225017, 52073138)、制浆造纸国家重点实验室培育项目(2023PY08)、广东省科技攻关项目(2020B1515020055)和广州市领航项目(2024A04J6266)资助。
1.各向异性仿生粘附有机水凝胶的设计原理
图1 用于PLN和SPLN凝胶构建各向异性粘附型表皮电极
2.邻苯二酚木质素磺酸钠的形成及其对凝胶网络单体的阻聚作用
图2 LS的氧化还原和有机水凝胶的聚合
3.邻苯二酚LS基有机水凝胶的构建及粘附调节
图3 有机水凝胶的强韧粘附及粘附调节
4.各向异性粘附凝胶实现按需粘附
图4 各向异性粘附凝胶的设计及其性能(LS添加量5 wt%)
5.各向异性粘附凝胶的电化学性质及应用
图5. 各向异性粘附凝胶作为表皮生物电极用于生理电信号采集
6.总结
原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413597
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