南京大学张秋红、贾叙东团队 Adv. Funct. Mater.：原位成型的双导电水凝胶表皮电极

2023-05-28 来源：高分子科技

近年来，智能医疗的发展推动了柔性生物电子技术的快速发展，亟需开发适合于人机界面的电子材料。导电水凝胶因具有类似皮肤的柔软、湿润和导电特性等，在人机界面领域受到越来越多的关注。特别是，混合离子和电子导电性的双导电水凝胶在开发快速响应的智能表皮生物电子器件方面发挥着越来越重要的作用。然而，传统的水凝胶由于预先成型的制备工艺和粘附力不足，不能与复杂的皮肤表面形成稳定的适形界面，如多毛或褶皱的皮肤。并且它们通常缺乏抗菌能力，制备时还需要在高温或紫外照射下引发单体聚合，这些问题使其不适用于需要在生物组织上直接加工和成型的应用场景。因此，获得高度适形、自粘附、抗菌和室温成型的水凝胶-皮肤界面是解决问题的关键。

近日，南京大学化学化工学院张秋红副教授、贾叙东教授团队提出了一种温和地在室温下原位制备导电水凝胶电极的方法，利用导电聚合物PEDOT:PSS促进两性离子单体[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基-（3-磺丙基）（SBMA）的自聚合，成功地在毛发皮肤或不规则伤口表面制备了高度适形的水凝胶表皮电极（ISF-PSPH）(图1)。该水凝胶表皮电极具有优良的弹性（弹性恢复率>96%）、理想的黏附强度（≈6.5 kPa）(图2)、优异的生物相容性和本征抗菌特性，并且在凝胶化过程中没有明显的热释放（<5℃）。基于ISF-PSPH的表皮电极被用来监测运动中的肌电信号。与商用电极相比，高度适形的水凝胶电极-皮肤界面表现出更低的界面阻抗，更好的稳定性和皮肤友好性。特别是在记录多毛皮肤区域的表面肌电（sEMG）信号方面，该电极受运动影响小，具有出色的信号稳定性。此外,这种高度适形的ISF-PSPH的表皮电极还被用于在电刺激下促进糖尿病伤口的愈合。

图1. ISF-PSPH水凝胶的设计原理、制备及潜在应用

图2. ISF-PSPH水凝胶的力学、弹性、黏附性和导电性表征

毛发区的sEMG监测是一个棘手的问题。传统的水凝胶表皮电极和商用电极往往是先加工成型再转移到皮肤表面（图3a）。由于毛发和皮肤褶皱的干扰，这些预先成型的电极与皮肤不能建立适形接触，接触阻抗往往比较高。同时，这类电极与皮肤接触的紧密程度不足，会导致长期监测中信号稳定性下降。然而，原位形成的ISF-PSPH水凝胶可以通过前体溶液的内在流动性与毛发皮肤紧密接触（图3b，c）。该ISF-PSPH水凝胶电极的界面阻抗低于大多数已报道的用于sEMG信号采集的表皮电极，甚至接近皮肤的本征阻抗（图3e）。研究人员比较了商用电极和ISF-PSPH电极在40个下蹲-站立周期内采集的胫骨前肌的sEMG信号。开始时，这两个电极的sEMG信号相似，表现出明显的肌肉收缩信号（图3k i和i''''）。然而，10个周期后，商用电极收集的噪声变得很高，且在38个周期后无法识别肌肉收缩信号（图3k iii''''）。与之相比，由ISF-PSPH电极收集的肌电信号噪声没有明显增加，信噪比几乎与其初始值相同（图3k iii 和3l）。研究人员注意到，在40个蹲站周期后，商用电极会从皮肤上脱落，而ISF-PSPH电极可以保持与毛发皮肤的紧密粘附（图3m），这表明，ISF-PSPH电极能够稳定地记录多毛皮肤的sEMG信号。此外，由于具有抗菌和生物相容性，ISF-PSPH水凝胶电极对皮肤友好，使用12小时后也不会使皮肤发红、发痒和发炎（图3n）。

图3. 基于ISF-PSPH水凝胶的表皮肌电信号监测

可注射、抗菌和生物相容的ISF-PSPH水凝胶因其具有电活性，非常适合作为电疗伤口贴片。由于原位成型的特点，它能够与不规则形状的伤口形成适形界面，从而最大化水凝胶电极贴片和受伤组织之间的接触面积，提高电刺激效率（图4a）。实验结果表明，用ISF-PSPH水凝胶电极贴片治疗的伤口比用商用敷料（CD）治疗的伤口闭合得更快。值得注意的是，通过比较有电刺激（ES）和无电刺激的组别，他们发现有ES的伤口愈合得更快，且ISF-PSPH+ES组表现出最高的血管和胶原组织再生以及最低的炎症反应（图4c-f）。因此，该ISF-PSPH水凝胶电子皮肤贴片具有促进慢性伤口愈合的潜力。

图4. 基于ISF-PSPH水凝胶的电刺激促进慢性伤口愈合

上述研究成果近日以“In Situ Forming Dual-Conductive Hydrogels Enable Conformal, Self-Adhesive and Antibacterial Epidermal Electrodes”为题发表于Advanced Functional Materials。南京大学化学化工学院博士生黄鑫鑫为文章第一作者，张秋红副教授、贾叙东教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金(No. 22075130)以及中央高校基础研究基金的支持。同时也感谢高性能高分子材料与技术教育部重点实验室以及配位化学国家重点实验室在本研究中给予的支持。南京大学医学院附属金陵医院的陈灿文同学、任建安教授，现代工程与应用科学学院的孔德圣教授对本工作给予了大力支持和帮助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202302846

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（责任编辑：Armstrong）

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