南京医科大学合作最新Nature

连接不同的电子设备通常很简单，因为它们有配对的、标准化的接口，形状和大小完全匹配。然而，组织电子接口不能标准化，因为组织很软，形状和大小随意。形状自适应的包裹和覆盖不规则大小和形状的物体是利用热收缩薄膜实现的，因为热收缩薄膜在受热时可以迅速收缩。然而，这些材料不适合生物应用，因为它们通常比组织硬得多，并且在高于90°C的温度下收缩。

2023年12月13日，新加坡南洋理工大学陈晓东、高华健、中国科学院深圳先进技术研究院刘志远及南京医科大学胡本慧共同通讯（第一作者是易俊琦）在Nature 在线发表题为“Water-responsive supercontractile polymer films for bioelectronic interfaces”的研究论文，该研究以蜘蛛丝为灵感，设计了由聚(环氧乙烷)和聚(乙二醇)-α-环糊精包合物组成的水响应性超收缩聚合物薄膜，该薄膜在初始干燥、柔韧、稳定的环境条件下，湿润后在数秒内收缩超过其原始长度的50%(约每秒30%)，之后成为柔软(约100 kPa)、可拉伸(约600%)的水凝胶薄膜。

这种超收缩归因于薄膜的排列微孔分层结构，这也有利于电子集成。人们使用这种薄膜制造形状自适应电极阵列，简化了植入过程，通过超收缩和共形包裹不同大小的神经、肌肉和心脏，当湿润时用于体内神经刺激和电生理信号记录。

使用软弹弹体和形状记忆材料的形状包裹生物电子学最近引起了极大的关注，因为它们可以很好地与组织结合，并且可以承受动态环境，而无需额外的缝合固定过程。然而，它们的大小和形状需要提前定制，以适应目标器官。由刚性热收缩聚合物制成的可收缩形状自适应包装提供了一种很有前途的策略。但是这些包裹的植入需要柔软和可拉伸的材料，这些材料在环境条件下是稳定的，但在与软组织相容的刺激下，收缩相当大(> 50%)且迅速(在几秒钟内)。

高温、紫外线和酸性溶液等刺激与脆弱的生理环境不相容。体温(37°C)是一个合适的刺激。然而，这些对体温敏感的材料要么收缩缓慢，要么在室温下不稳定。水也是一种良性刺激。在自然界中，蜘蛛拖丝表现出独特的水致收缩，称为超收缩。这种超收缩是由于其具有非晶定向聚合物链的分层结构域由水可破坏氢键和稳定的β片晶体交联。

利用水制备合成超收缩材料具有挑战性，因为过于密集的氢键会阻碍超收缩，而稀疏的氢键在环境湿度下是不稳定的。超分子聚合物、聚合物复合材料、重构角化蛋白和嵌段共聚物最近被用于制造收缩纤维。但有些在环境湿度下(如相对湿度为60%)不稳定。此外，与蜘蛛丝类似，它们对于软组织应用来说过于坚硬，并且与二维平面制造工艺不兼容。含水量大、柔软度如组织的水凝胶被认为与组织更相容。然而，由于水合层和不同的表面能，水凝胶与其他电子材料的结合仍然具有挑战性。

批量生产WRAP薄膜的示意图和照片（图源自Nature ）

该研究报告了干燥、灵活和独立的水响应型自适应聚合物(WRAP)薄膜，这种薄膜在环境条件下是稳定的，在受湿时迅速和大量收缩，然后转化为柔软和可拉伸的水凝胶薄膜，与软组织和平面电子制造工艺兼容。研究人员通过定向由聚乙二醇(PEG)-α-环糊精(α-CD)包合物晶体域交联的水溶性半晶聚环氧乙烷(PEO)结构域构建了WRAP薄膜。在WRAP薄膜的基础上，作者制作了可以根据需要快速收缩的电极阵列，大大简化和加快了器件植入过程。这些电极阵列具有形状自适应能力，可以包绕不同大小和形状的组织，如神经、肌肉和心脏，实现神经刺激和电生理信号记录。这项研究表明，这种水响应材料可以在塑造下一代组织电子界面以及扩大形状自适应材料的生物医学应用方面发挥重要作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06732-y

转自：“iNature”微信公众号

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