【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(fā)表最新研究成果。該研究開發(fā)了一種新策略，通過將電紡纖維網(wǎng)絡(luò)嵌入水凝膠中，從而實現(xiàn)同時具有超薄結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合水凝膠薄膜(< 5 μm)的構(gòu)建。纖維復(fù)合水凝膠提供了廣泛的可調(diào)模量(從~ 5 kPa 到幾十MPa)，這與大多數(shù)生物組織和器官的模量相匹配。超薄的結(jié)構(gòu)和超柔軟特性使電紡纖維復(fù)合水凝膠能夠無縫附著在各種粗糙表面上，是構(gòu)建貼附型生物電子器件的理想材料。
 

　　纖維復(fù)合水凝膠薄膜基于靜電紡絲、旋涂和凍融聯(lián)合技術(shù)構(gòu)建(圖1)。通過調(diào)控靜電紡絲時間、旋涂時間和凍融次數(shù)，實現(xiàn)對纖維復(fù)合水凝膠薄膜理化性質(zhì)的調(diào)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(fù)合水凝膠薄膜的力學(xué)性能；提高旋涂速率，有利于降低纖維復(fù)合水凝膠薄膜的厚度；增加凍融次數(shù)，可提高水凝膠自身的模量。纖維復(fù)合水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)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(wǎng)絡(luò)可有效抑制應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋擴增，賦予纖維復(fù)合水凝膠薄膜優(yōu)異的抗撕裂性能(圖2)。
 

　　常規(guī)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(fā)從而使水凝膠體系失效。該研究通過在纖維復(fù)合水凝膠體系中摻入甘油作為保水劑，使復(fù)合水凝膠體系具有優(yōu)異的抗失水性能。暴露于空氣中七天后，仍具備優(yōu)異的柔性。此外，為了改善纖維復(fù)合水凝膠的導(dǎo)電性，甘油/NaCl體系使纖維復(fù)合水凝膠在空氣中維持長期的高導(dǎo)電性能(圖3)。
 

　　得益于纖維復(fù)合水凝膠薄膜超軟和超薄的特性，其可實現(xiàn)對各種不同粗糙表面的無縫貼附，其廣泛可調(diào)的力學(xué)性能幾乎可實現(xiàn)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(chǎn)生形變而不損傷組織，是構(gòu)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(fù)合水凝膠構(gòu)建的貼附型生物電極具有比商業(yè)凝膠電極更加優(yōu)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(fù)合水凝膠電極在7天后仍舊保持良好信噪比，可實現(xiàn)對人體肌電信號的采集。甘油/NaCl體系的纖維復(fù)合水凝膠電極用于檢測人體肌電信號，可實現(xiàn)對不同運動姿勢和不同運動強度肌肉電信號的監(jiān)測(圖5)。
 

　　研究人員通過將電紡纖維網(wǎng)絡(luò)包埋于水凝膠，開發(fā)了一種制備超軟、超薄、力學(xué)增強復(fù)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(shè)計和構(gòu)建思路。
 

圖1 纖維復(fù)合水凝膠設(shè)計和制備
 

圖2 纖維復(fù)合水凝膠薄膜力學(xué)性能
 

圖2 纖維復(fù)合水凝膠薄膜力學(xué)性能
 

圖4 纖維復(fù)合水凝膠薄膜的柔性和貼附性能
 

圖5 纖維復(fù)合水凝膠電極用于人體肌電信號監(jiān)測