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南京大學(xué)薛斌/曹毅/王煒團(tuán)隊 Nat. Commun.: 仿生自適應(yīng)脂質(zhì)層增強水凝膠傳感器動態(tài)保水能力

2024-12-05 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生自適應(yīng)脂質(zhì)層水凝膠傳感器動態(tài)保水能力

近年來，基于水凝膠的柔性傳感器在醫(yī)用器材和智能機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其性能常因水分的快速蒸發(fā)而受到影響，導(dǎo)致傳感靈敏度和機械耐久度的下降。盡管各研究團(tuán)隊取得了顯著的進(jìn)展，如引入有機溶劑、電解質(zhì)和彈性體復(fù)合材料，但仍存在導(dǎo)電性下降、界面錯位以及動態(tài)條件下對凝膠內(nèi)部水分保護(hù)不足的問題。

圖1 自適應(yīng)脂質(zhì)整合涂層（ALIBC）及其保水機制示意圖。

為解決上述問題，南京大學(xué)薛斌/曹毅/王煒團(tuán)隊受到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)了一種自適應(yīng)性脂質(zhì)整合涂層（ALIBC），以增強水凝膠傳感器的保水性。脂質(zhì)層和長鏈兩親性分子作為致密嵌入涂層和錨定劑，模仿細(xì)胞膜中的脂質(zhì)和膜蛋白的作用，同時水凝膠內(nèi)的備用脂質(zhì)可以遷移至表面，防止動態(tài)條件下的脫水。該涂層能夠有效防止水凝膠在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下的水分蒸發(fā)，同時不影響其固有的柔性、導(dǎo)電性和細(xì)胞相容性。帶有ALIBC的水凝膠傳感器在長期動態(tài)傳感條件下表現(xiàn)出顯著的性能提升。這項工作為精確控制水凝膠基傳感器的保水性而不影響其本征特性提供了一種通用方法。該工作以“Bioinspired Adaptive Lipid-Integrated Bilayer Coating for Enhancing Dynamic Water Retention in Hydrogel-Based Flexible Sensors”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。文章第一作者為南京大學(xué)博士生柏鳴，通訊作者為南京大學(xué)薛斌副教授，曹毅教授和王煒教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃和等項目的支持。

圖2 ALIBC中的流體鑲嵌結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)遷移。

圖3 帶有ALIBC的水凝膠在靜態(tài)和動態(tài)條件下的保水性

圖4 帶有不同ALIBC涂層的水凝膠的力學(xué)特性

圖5 ALIBC水凝膠基傳感器的長期傳感性能

借鑒細(xì)胞膜流體鑲嵌模型的理念，作者提出了一種通用的水凝膠保水策略，該策略能夠在不損害其固有機械性能、導(dǎo)電性和生物相容性的前提下，顯著提升水凝膠在靜態(tài)和動態(tài)下的保水能力。具體而言，作者在水凝膠表面引入了共價鍵合的疏水UA分子，形成初步的保水層，并作為后續(xù)脂質(zhì)雙分子層的錨定結(jié)構(gòu)。嵌入長鏈UA的動態(tài)脂質(zhì)分子進(jìn)一步構(gòu)建自適應(yīng)型脂質(zhì)整合涂層（ALIBC），從而增強了水凝膠保水性。通過對不同水凝膠表面進(jìn)行激光共聚焦拉曼成像，觀察到類似細(xì)胞膜的流體鑲嵌型結(jié)構(gòu)。作者對水凝膠表面以及內(nèi)部磷脂進(jìn)行熒光標(biāo)記，應(yīng)變下凝膠內(nèi)部可以觀察到磷脂的動態(tài)遷移，因此即使在長期的動態(tài)循環(huán)中，水凝膠的保水性能也能通過內(nèi)部備用脂質(zhì)的遷移實現(xiàn)自修復(fù)，在48小時的靜態(tài)條件和動態(tài)負(fù)載循環(huán)中，分別保持了49.3%和47.3%的水分，確保了基于ALIBC的水凝膠傳感器在動態(tài)條件下的長期穩(wěn)定性。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54879-7#Sec18

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