一种高度可拉伸、导电和透明的生物粘合剂水凝胶作为增强实时人体健康监测的柔性传感器

题目：A Highly Stretchable, Conductive, and Transparent Bioadhesive Hydrogel as a Flexible Sensor for Enhanced Real-Time Human Health Monitoring

一种高度可拉伸、导电和透明的生物粘合剂水凝胶作为增强实时人体健康监测的柔性传感器

期刊：Advanced Materials

IF：27.4

DOI：10.1002/adma.202404225

日期：21 June 2024

第一作者：Arpita Roy

通讯作者：Nasim Annabi

通讯单位：加利福尼亚大学洛杉矶分校

非认知标志物的实时连续监测对于慢性病的早期发现和管理至关重要。目前的诊断方法往往是侵入性的，不适合在家监测。开发了一种具有优异精度和耐用性的弹性，粘性和可生物降解的基于水凝胶的可穿戴传感器，用于实时监测人体健康。采用超分子工程技术，将聚丙烯酰胺（pAAm）、β-环糊精（β-CD）和聚2-（丙烯氧基）乙基三甲基氯化铵（AETAc）生物离子液体（Bio-IL）结合合成了一种伪滑环水凝胶。这种新方法解耦了不同分子构建块产生的相互冲突的机械化学效应，并提供了机械韧性（1.1 × 106 Jm-3）、柔韧性、导电性（≈0.29 S m-1）和组织粘附性（≈27 kPa）的平衡，以及快速自愈和显著的拉伸性（≈3000%）。与传统的水凝胶不同，一锅合成避免了化学交联剂和金属纳米填料，降低了细胞毒性。在pAAm提供机械强度的同时，伪滑环结构的形成确保了高拉伸性和灵活性。经体外和体内研究证实，pAAm与β-CD和pAETAc结合可提高生物相容性和生物降解性。水凝胶还具有透明度、被动冷却、紫外线屏蔽和3D打印能力，增强了日常使用的实用性。该工程传感器在运动/触觉传感方面展示了更高的效率、稳定性和灵敏度，推进了实时人体健康监测。

a)β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的合成步骤。b)导致水凝胶形成的貌似合理的相互作用。c)仅AETAc和AETAc与β-CD组合的紫外光谱。d-i) AAm、d-ii) AETAc、d-iii)-CD、d-iv)预聚体溶液和d-v)交联β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的1H NMR谱。

水凝胶的流变行为：a)振幅扫描，b)屈服应力，c)频率扫描，d)粘度分析。e)表现出自我修复行为的水凝胶的数字图像。f)触变图证实了水凝胶的自愈能力。g)应变扫描下粘度从1%到1000%的变化。h)自我修复机制的示意图演示。

水凝胶的力学特性：i)拉伸测试的实验设置和具有代表性的拉伸应力-应变曲线，j)极限强度，k)杨氏模量，l)拉伸性，m)不同AAm:AETAc比例形成的水凝胶的韧性。n)水凝胶柔韧性（弯曲和打结）的数字图像。o)高拉伸性和机械方面的数字图像。p)具有代表性的压应力-应变曲线；q)不同AAm:AETAc比例形成的水凝胶的压缩模量。

a)搭接剪切试验装置示意图演示。b)基于搭接剪切试验的代表性力/位移曲线。c)使用不同AAm:AETAc比例形成的β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的粘附强度和d)粘附能。e)β-CD-g-(pAAm/pAETAc)与市售生物粘合剂的粘附强度比较。f)粘附机理示意图。水凝胶在g)手套和h)猪皮、大鼠肝脏和大鼠心脏上粘附的数字图像。i)根据搭接剪切试验，β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶在皮肤、肝脏和心脏组织上的粘附强度。来自水凝胶/组织界面的苏木精和伊红染色组织切片显示与j)心脏和k)肝脏粘附。

使用不同AAm:AETAc比例形成的β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的电响应特征：a)电导率，b)发光蓝色LED的数字图像，c)具有合理传导机制的实验装置的示意图演示，d)离体兔腿肌肉跳动实验的实验装置示意图，e)兔腿肌肉刺激阈值电压的量化。f)比较雷达图，比较不同AAm/AETAc比例形成的β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的性能。g)不同AAm:AETAc比例形成的水凝胶在−1~+1 V电位范围内，扫描速率为600 mV s-1时的循环伏安曲线，以及在−1~+1 V电位范围内，不同扫描速率下水凝胶的循环伏安曲线。i,j) 1:1比例水凝胶基装置200次循环的循环稳定性。β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的压力响应特征：k) CV曲线在600 mV s-1恒定扫描速率下的不同压缩百分比。l)纱布因子的测定；m)水凝胶传感器的响应时间。来自基于水凝胶的传感器的信号是由于n)低、中、高拉伸；o)扭曲;p)压缩。q)显示基于水凝胶的装置的自修复性的电信号。r)蓝色LED在拉伸时照度变化的示意图和数字图像。

透明度和防紫外线行为：a)水凝胶放置在色轮和UCLA标志上的数字图像，显示其透明性质。b)透过率随波长变化曲线观察到的紫外线屏蔽特性。c)工程水凝胶的代表性SEM图像，d)孔径分布曲线。被动冷却和人体热辐射特征包括：e)β-CDg-(pAAm/pAETAc)水凝胶在戴着手套的人手上的数字图像和热成像，使用红外（IR）热像仪记录；f)日照时间与温度的关系曲线，以及水凝胶与手套的日照时间与温差（∆T）的关系曲线。g)水凝胶在2.5~16μm范围内的FTIR光谱。人体的中红外辐射显示为浅棕色区域作为参考。体外抗氧化效果：h)不同剂量β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶对DPPH自由基的清除动力学和可能的自由基清除机制（插图），i)β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶EC50值的测定，j)水凝胶与著名抗氧化剂Trolox的EC50值比较。

a)附着在人体手指上检测运动信号的基于水凝胶的传感器示意图，b、c)不同弯曲角度下的食指运动信号，d)手指在一定弯曲角度下的慢、中、快运动信号。e)基于水凝胶的传感器附着在人体手腕上检测其运动信号的示意图演示，f)不同类型的手腕运动单。i)手写检测传感器的原理图演示，以及j)使用该传感器检测“a， B， C， D”书写信号的变化。k)国际摩尔斯电码以及国际摩尔斯电码版本中l)“SOS”和m)“HELP”的检测。n)绘制主成分分析图，本工作与文献中现有的技术水平进行比较。

a) PD患者的症状和传感器的合理放置位置（红色标记）。实时感知，b)无震颤（正常），c)轻微，d)中度，e)严重震颤，通过将传感器连接到手上（戴上手套）。f)正常步态，g)异常步态，h)进行性犹豫和停顿，采用粘在鞋趾上的水凝胶传感器。使用附着在腹部肌肉（衣服上）的基于水凝胶的传感器检测i)正常/异常呼吸和j)咳嗽。

体外生物相容性试验：a) 3T3细胞接种于水凝胶5天后的代表性活/死染色图像；b)接种后第1天和第5天3T3细胞活力的定量分析；c)在播种后第1,3,5天，使用PrestoBlue法定量分析代谢活性，相对荧光单位（RFU）；d) 3T3细胞接种后5 d的代表性F-actin/DAPI染色图像；e) 2',7'-二氯荧光素双醋酸酯（DCFDA）法检测细胞内ROS的机制；f) 3T3细胞在水凝胶上接种5天后的代表性DCFDA染色图像；G)平均细胞荧光；h)播种后第1、3、5天的二氯荧光（DCF）荧光强度。β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶的体内生物相容性和降解：i)水凝胶在大鼠皮下植入的示意图演示；j)植入后7天和28天，H&E染色的代表性水凝胶-皮肤组织界面；k)植入后7天和28天代表性CD68/DAPI染色的水凝胶-皮肤组织界面；l)植入后28天水凝胶的生物降解情况。

综上所述，通过AAm、AETAc和-CD的快速接枝交联，采用一锅法合成了一种具有高韧性和最佳导电性的新型多功能spn基伪滑动水凝胶。该水凝胶具有高拉伸性（≈3000%）、快速自愈性能、最佳粘附强度（≈27 kPa）和优异的透明度。此外，通过调节AAm/AETAc的比例，可以调节工程水凝胶的所有物理化学性质。此外，该水凝胶被发现具有几个客户友好的功能，包括紫外线屏蔽，被动冷却和3D打印能力。利用该水凝胶制备了一种生物传感器，可以很好地感知人体的张力和运动。该传感器具有高灵敏度（GF=3.74）和可靠的200多个周期的长期稳定性，可以快速准确地识别几分钟和强烈的人体运动。此外，我们证明了它在模拟帕金森病中监测运动功能障碍的有效性。该工程水凝胶在体外和体内均无毒性。因此，我们的多功能导电β-CD-g-(pAAm/pAETAc)水凝胶可以潜在地用作神经退行性疾病、电子皮肤、智能设备和人工智能的医疗监测设备。