北师大团队最新成果：可完全生物降解和生物兼容的离子电子皮肤

来源：生辉 2023-08-29 15:31

北京师范大学刘楠教授领导的团队设计了一种完全可生物降解且生物相容性的离子电子皮肤，基于双网络天然聚电解质衍生物构建而成。该离子电子皮肤材料由羧基化壳聚糖（CCS）和磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）在

北京师范大学刘楠教授领导的团队设计了一种完全可生物降解且生物相容性的离子电子皮肤，基于双网络天然聚电解质衍生物构建而成。该离子电子皮肤材料由羧基化壳聚糖（CCS）和磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）在甘油和水中聚合，并通过氢键和静电相互作用进行交联，形成了一种名为 SBMAX-CCSY-Glyz 的材料。通过对材料的大分子工程，离子电子皮肤具有高离子导电性能、良好的与皮肤适应性，并且能够完全降解，可进行瞬态的电生理测量。

该研究以“A Fully Biodegradable and Biocompatible Ionotronic Skin for Transient Electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

生物可降解相容性离子电子皮肤的制作

可生物降解且生物相容性的离子电子皮肤（SBMA40-CCS1-Gly2）所包含的一个网络由水溶性的 CCS 通过氢键交联而成。CCS 是壳聚糖衍生物，具有优良的生物相容性、可生物降解性、抗菌性等特性。它还是一种两性离子聚电解质，具有良好的离子导电性。另一个网络由电荷吸引力交联的聚合物 SBMA 组成。SBMA 是一种具有良好生物相容性的离子型分子。其主链富含阳离子和阴离子，可以通过离子偶极相互作用和阳离子 -π 相互作用与不同界面形成粘附。通过电荷吸引力交联的 SBMA 二聚体或寡聚体可以在盐水溶液中轻易分离，因此具有可生物降解性。甘油（Gly）和水为网络提供了丰富的氢键位点，提高了整个网络的交联性。

为了理解双网络的结合相互作用，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算，计算了 CCS、SBMA、水和甘油分子之间的结合能。两个水分子通过氢键结合的结合能为 5.836 kJ mol-1，而水分子和甘油分子之间的氢键结合能为 9.520 kJ mol-1，表明甘油和水的混合体系更适合增强整个网络的结合能力。SBMA 分子之间的静电相互吸引非常强，其结合能值高达 56.145 kJ mol-1。这主要归因于 SBMA 两个分子之间形成的双静电吸引结构。在整个系统中，水分子和甘油通过氢键在 SBMA 和 CCS 链之间建立了桥梁状连接，从而增加了整体的结合能力。另一方面，水分子与 CCS 之间的结合能为 41.657 kJ mol-1，而水分子、甘油以及 SBMA 和 CCS 分子之间的氢键结合能分别为 51.4 kJ 和 60.4 kJ mol-1。组分之间增加的结合力牢固地锁定了水分子在聚合物网络中，抑制了水的挥发，破坏了晶格的形成，确保了离子电子皮肤的日常使用。

离子电子皮肤可生物降解的机制

为了深入了解降解机制，作者首先分析了 SBMA40-CCS1-Gly2 的化学结构组成。值得注意的是，CCS 和甘油是水溶性的，在浸泡在水中后，主要残留成分是通过静电吸引交联的聚合物化合物 SBMA。因此，降解机制可以简化为在盐水溶液中降解基于 SBMA 的网络。通过密度泛函理论计算优化了双分子 SBMA 片段的几何构型。在盐水溶液中，SBMA 二聚体的解离能仅为 6.1 kJ mol-1，而在真空中高达 56.1 kJ mol-1，表明 SBMA 二聚体片段更容易在盐水溶液中分离。这与由静电吸引力构建的 SBMA 网络在盐水中容易破坏的现象一致。SBMA 基网络的交联度降低将导致 SBMA40-CCS1-Gly2 在盐水中溶解性增强。作者进一步比较了去离子水和磷酸盐缓冲溶液中的质量保留率。在去离子水中，SBMA40-CCS1-Gly2 的降解速率相对较低，在室温下经过 3 天后，保留了约 40% 的质量。相比之下，在室温下的 PBS 溶液中，它表现出卓越的生物降解性，在 3 天后完全降解，这优于先前报道的可生物降解材料。分子动力学（MD）模拟被应用于揭示在真空和 PBS 溶液中 SBMA 两个片段之间的相互作用距离的时间演化。在真空中，SBMA 二聚体几乎没有变化。另一方面，在约 600 ps 后，SBMA 二聚体逐渐分离，随着时间的推移距离越来越远，再次证明了 SBMA40-CCS1-Gly2 在盐水溶液中的易降解性。

离子电子皮肤在体内和体外的生物相容性

SBMA40-CCS1-Gly2 的生物相容性是皮肤可附着电子器件的先决条件。通过体外细胞实验对 SBMA40-CCS1-Gly2 的生物相容性进行了测试和评估。如下图所示，人皮肤成纤维细胞（HSF）被培养在 SBMA40-CCS1-Gly2 和对照组上。荧光图像显示，在 24、48 和 72 小时后，大量活细胞在 SBMA40-CCS1-Gly2 和对照组上良好生长。细胞存活率通过使用 3-（4，5- 二甲基噻唑 -2- 基）-2，5- 二苯基四唑溴化物（MTT）进行测定。具体值通过公式（OD 样本 -OD 背景）/（OD 对照 -OD 背景）计算，其中 OD 代表光密度。一般来说，细胞存活率大于 80 %被视为良好的生物相容性。因此，SBMA40-CCS1-Gly2 样品的高细胞存活率超过 100%，表明具有增强的生长能力。CCS 和 SBMA 的化学结构可能起到了作用。首先，CCS 中的胺基可轻易质子化成铵离子，与细菌的负电荷细胞膜相互作用，从而吸附和凝聚细菌，干扰细菌的代谢，产生抗菌作用。其次，CCS 和 SBMA 可以被细胞基质吸收，提供营养物质并促进细胞生长。通过小鼠体内实验验证了 SBMA40-CCS1-Gly2 的体内生物相容性。两只雌性小鼠的背部被剃毛，受伤程度不同，并贴上 SBMA40-CCS1-Gly2 膜。24 小时后，受伤较轻的小鼠完全恢复，受伤较重的小鼠形成痂并无感染。这主要是因为 SBMA40-CCS1-Gly2 中的 CCS 具有杀菌和消毒作用，有效抑制创伤感染。组织学分析显示，SBMA40-CCS1-Gly2 和对照组对皮肤组织和皮下附属器官如毛囊、皮脂腺和血管没有明显的结构变化。在真皮中可以看到大量的粒细胞浸润（蓝色箭头）和皮下（红色箭头），证明 SBMA40-CCS1-Gly 具有优良的体内生物相容性。

离子电子皮肤的皮肤附着性和电导率

SBMA40-CCS1-Gly2 具有粘附性和高导电性，同时具有适中的杨氏模量，这对于皮肤电子器件非常理想。粘附力-位移曲线表明，SBMA40-CCS1-Gly2 可以有效地附着在不同的基底上，包括玻璃、PET、铜板、A4 纸和猪皮。SBMA40-CCS1-Gly2 与玻璃之间的粘附强度高达 370 kPa，甚至 SBMA40-CCS1-Gly2 与猪皮之间的粘附强度也达到了 130 kPa。SBMA40-CCS1-Gly2 的粘附机制主要由四种化学相互作用组成，包括由 CCS 和甘油引起的氢键相互作用、由 SBMA 单元形成的静电吸引力、阳离子 -π 相互作用和离子偶极相互作用。这些力极大地提高了SBMA40-CCS1-Gly2 在各种基底上的粘附性能。通过优化其组成，SBMA40-CCS1-Gly2 展示了最大的断裂应变，其断裂时的最大应变约为 380%±25。CCS40-SBMA1-Gly2 在含汗液条件下的应力-应变曲线表明，汗液对材料的力学性能影响较小，表明可能适用于长时间运动等汗液场景。甘油的含量对整个聚合物的杨氏模量有很大影响。SBMA40-CCS1-Gly2 的杨氏模量约为 1±0.1 MPa，非常适合用于皮肤电子器件。

接下来，作者通过改变 SBMA 的含量研究了 SBMAx-CCS1-Gly2 的离子导电性。在甘油-水体系中，CCS 中的羧酸基容易电离产生氢离子，有助于两性聚合物网络中离子的迁移。另一方面，甘油增强了材料的电荷转移。在自支持膜中，甘油比例的增加可以使整体材料变软，并加快聚合物网络中的离子迁移。离子导电率通过以下公式计算：o =L/(Rb × A)，其中 L 和 A 分别表示测试样品的厚度和面积，Rb 是从阻抗谱计算得到的体内电阻。SBMA40-CCS1-Gly2 的离子导电率可以达到近 10-4 S cm-1，相较于 SBMA40-Gly2 和 SBMA40-CCS1-Gly1 更高。为了适应长时间佩戴的严酷条件，对不同形变下的电性稳定性要求很高。与传统电子导体不同，基于离子传导的 SBMA40-CCS1-Gly2 能够在 100% 的变形范围内保持离子导电性。此外，SBMA40-CCS1-Gly2 与皮肤之间的电化学阻抗非常低，甚至小于商用 Ag/AgCl 凝胶电极的阻抗。

在电生理学和人机界面中的应用

准确获取电生理信号对于可穿戴医疗设备至关重要，为身体和心理健康提供有效的信息。皮肤电极是这种测量中的主要消耗品，目前商业电极中 Ag/AgCl 凝胶电极占主导地位。

作为一种生物相容性和可生物降解的离子电子皮肤材料，SBMA40-CCS1-Gly2 可能可以取代 Ag/AgCl 凝胶电极进行瞬态电生理测量，以减少电子废弃物的产生。为了展示 SBMA40-CCS1-Gly2 在检测电生理信号方面的能力，首先将 SBMA40-CCS1-Gly2 应用于志愿者的手腕进行心电图记录。它呈现了清晰的心电图信号，与 Ag/AgCl 凝胶电极获得的典型特征峰相似，包括 P 波（心房极化波）、QRS 波群（心室去极化波）和 T 波（心室复合波）。当将振动器固定在电极 1 厘米处时，由 Ag/AgCl 凝胶电极记录的信号明显衰减，而由 SBMA40-CCS1-Gly2 记录的信号保持原始质量，这表明具有粘附和导电性的 SBMA40-CCS1-Gly2 可能会减少运动伪迹。此外，为了展示在复杂情况下的应用，作者还研究了 SBMA40-CCS1-Gly2 在不同湿度水平下的稳定性和长期耐久性。

SBMA40-CCS1-Gly2 在不同湿度水平下能够保持良好的稳定性，即使将 SBMA40-CCS1-Gly2 放置在空气中三个月后，它仍然能够准确检测稳定的心电图信号。当时间过去六个月时，其基线变得稍微粗糙。这种优异的空气稳定性主要归因于 SBMA40-CCS1-Gly2 的化学结构：水分子以氢键的形式锁定在聚合物网络中。从本质上讲，水分子与周围不同功能基团之间的竞争性相互作用是维持材料整体保湿性的关键因素。

与 Ag/AgCl 凝胶电极相比，SBMA40-CCS1-Gly2 记录的肌电图信号具有稍高的平均信噪比（SNR，42.5dB 对 42.0dB）。以上结果表明，SBMA40-CCS1-Gly2 能够在测试者进行运动时记录电生理信号，而且还可以准确测量角膜和视网膜之间的电位差，即眼电图（EOG）。它呈现出与 Ag/AgCl 凝胶电极获得的清晰EOG信号相似的结果。当眼睛静止或眨眼一次和两次时，EOG 信号可以清晰地识别这些动作，表明 SBMA40-CCS1-Gly2 在眼科医学和医疗保健中具有应用潜力。SBMA40-CCS1-Gly2 还可以用于检测脑活动，如脑电图（EEG）。

此外，通过准确获取电生理信号，作者将 SBMA40-CCS1-Gly2 应用于与机械手的接口。分别将三个电极粘附在伸长肌长肌、短肌肉和桡骨腕屈肌上，这些肌肉的兴奋-收缩产生的肌电图信号被转换为脉宽调制脉冲以控制机械手。

作为生物可降解神经电极

神经电信号的测量高度依赖皮肤电极，而这些电极的废弃物无疑会导致环境污染。离子电子皮肤电极不仅能够获取高质量的神经电信号，而且由于完全可快速生物降解的特性，不会产生任何环境废物。另一方面，对于体内的瞬态电生理测量存在迫切需求，因为在治疗后额外进行电极移除的操作必然会对神经束造成损伤。作为概念验证，作者植入 SBMA40-CCS1-Gly2 电极到牛蛙坐骨神经中，用作体内复合动作电位（CAPs）的记录和神经刺激的神经电极。神经信号的采集和电刺激在神经麻痹、癫痫、帕金森综合征和脊髓损伤等疾病的治疗中具有重要的临床应用价值。在坐骨神经的一端使用铂丝作为刺激电极，另一端使用两个 SBMA40-CCS1-Gly2 作为记录电极，并记录了不同时间的数据。在一系列的单相矩形波刺激下，诱发的动作电位沿着神经传播，并通过 SBMA40-CCS1-Gly2 进行记录，显示出很高的信噪比，这可以归因于电极的高离子导电性和与神经的良好适应性。此外，随着刺激电压的增加，动作电位信号的峰值变得更加明显。值得注意的是，离子电子皮肤在 3 天后将完全降解和吸收，伴随着神经电信号的消失。电生理和刺激的瞬态测量表明，SBMA40-CCS1-Gly2 可以作为可生物降解的神经电极，无需进行二次手术。

完全可生物降解且生物相容的离子电子皮肤可以作为无电子废物足迹的环保电子设备，它基于双网络天然聚电解质衍生物，可以在室温下在磷酸盐缓冲溶液中仅需 3 天完全降解，这主要归因于可溶于水的 CCS 和盐溶液中 SBMA 聚合物的易分离碎片。通过大分子设计和工程的进展，这种离子电子皮肤还表现出高离子导电性、与皮肤良好的适应性和完全可生物降解性。因此，它能够准确检测电生理信号而无需产生电子废物。此外，它可以在牛蛙坐骨神经上记录和刺激神经电信号，并且因为可以快速降解，而无需进行额外的电极移除手术。可导电、可生物降解和生物相容的离子电子皮肤对电生理和刺激的瞬态测量可能为绿色可穿戴和植入式电子带来广阔的前景。

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