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东华大学游正伟《国家科学评论》:肽聚糖启迪的生物友好型超快自愈合弹性体——生物集成电子新材料
发布人: 星禧   发布时间: 2020-08-22    浏览次数:

近年来,电子皮肤、可穿戴电子和植入电子等生物集成电子器件发展迅速,可拉伸电子更是磅礴兴起的新兴方向,而弹性体正是其中的重要组成部分。由于其动态的应用环境,电子弹性体承受连续的负载,可能会遭受机械故障和损坏。解决该问题的一种潜在方法是赋予电子弹性体自愈合的特性。但是大多数自愈合弹性体的愈合过程需要加热、激光等对人体不友好的外界刺激,自愈合速度慢,无法满足实际需求。此外,由于生物集成电子器件直接与人体组织接触,因此针对自愈合弹性体的生物学设计也需要特别关注。据此,东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授带领团队研制了新型生物友好型超快自愈合弹性体,由其构建的生物集成电子器件有效地解决了上述问题,显示了良好的应用前景。相关成果近日以“Peptidoglycan-inspired autonomous ultrafast self-healing bio-friendly elastomers for bio-integrated electronics”(肽聚糖启迪的用于生物集成电子器件的生物友好型快速自发自愈合弹性体)为题,发表于中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《国家科学评论》(National Science Review)。澳门赌钱的平台网址博士生张璐之是论文的第一作者,硕士毕业生梁嘉辉是论文的共同第一作者,游正伟教授是通讯作者,管清宝副研究员是共同作者,本工作和上海交通大学医学院附属瑞金医院叶晓峰副教授团队合作完成。

仿生杂化网络策略构筑生物友好型超快自愈合PSeHCD弹性体

肽聚糖是大多数细菌细胞壁的主要成分,在维持细胞壁的机械强度和结构完整性方面起着至关重要作用。肽聚糖功能的实现源自其独特的三维网络,该网络由交替的杂多糖(N-乙酰氨基葡糖和N-乙酰氨基甲酸)主链和广泛分布的肽侧链构成。据此,作者设计了一种仿肽聚糖结构的交替聚酯-聚氨酯杂化交联弹性体——聚(癸二酰基己二氨基甲酸甘油二酯)(PSeHCD)(图1)。其中,合成PSeHCD的关键是游正伟教授先前发展的酸诱导环氧开环聚合方法(Biomaterials 2010, 31, 3129-3138Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2812-2820)。PSeHCD的每个重复单元有两个部分:酯基和氨基甲酸酯基。交替的酯基确保其降解性;交替的氨基甲酸酯基团构建了均匀分布的氢键动态交联网络,赋予其优良的自愈合性能。PSeHCD侧链上有大量自由的羟基,有利于与组织结合,并能方便实现后续材料的功能化,以及与羧酸发生酯化交联反应,材料的力学性能可以通过简单的控制固化时间来调节。PSeHCD规整的分子结构使其末端的羧酸基团保持在较低数量,从而有效地控制了交联度,确保了良好的加工性。此外,通过选择生物相容性优良的六亚甲基二氨基甲酸酯和癸二酸甘油酯作为结构单元,确保了良好生物相容性。

 

1 PSeHCD的设计

 

PSeHCD弹性体优异的性能

基于以上设计策略,PSeHCD弹性体显示出了优异的性能(图2)。其具有良好的弹性,方便的力学可调性,易于加工。PSeHCD薄膜划伤后,室温下2分钟内可基本完全愈合。同时PSeHCD还展现出良好的生物相容性和降解性。

 

2 PSeHCD弹性体的性能表征

 

PSeHCD弹性体在生物集成电子器件中的应用

利用上述PSeHCD弹性体,作者构建了多种生物集成电子,并展现了其优良的性能(图3)。PSeHCD弹性体与液态金属复合构筑的可拉伸自愈合导体,在完全切断后,室温下轻轻对接,21秒后即重新愈合为可拉伸的导体,愈合速度快于以往报道的室温自发自愈合可拉伸导体。进而作者将PSeHCD弹性体与聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)复合,构筑了全聚合物的可拉伸自愈合传感器,可以用于检测人体的运动。

 

 

3 PSeHCD弹性体在生物集成电子器件中的应用

 

工作小结

该工作设计了具有独特的酯基-氨基甲酸酯基交替结构的杂化交联PSeHCD弹性体,这一仿肽聚糖结构赋予了其超快的自发自愈合性,同时还具有良好的生物相容性和降解性、可调的力学性能和方便的加工性。作者证明了PSeHCD弹性体在生物集成电子中的潜在应用。同时PSeHCD的合成方法简单,通用性强,易于扩展,这项工作中的设计原理和合成策略将启发一系列用于可拉伸电子,软机器人和生物医学工程等领域的新型友好型智能材料。该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa154

研究团队简介

游正伟教授,现任澳门赌钱的平台网址复合材料系主任,中国纺织工程学会柔性电子生物医用纺织材料科研基地主任。长期从事生物医用弹性体、3D打印及其在再生医学和生物电子领域的应用。近5年在Advanced Materials, Nature Communication等期刊发表通讯作者SCI论文32篇(IF>10:13篇),研究成果被国家自然科学基金委员会出版的《Science Foundation in China》期刊、《中国科学报》头版、国家新材料产业发展战略咨询委员会出版的《18年度新材料技术发展蓝皮书》等专题报道。团队主页:http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp诚挚欢迎优秀学子报考本团队的硕士和博士研究生,同时诚招博士后(年薪20.4万起,具体面议,emailzyou@dhu.edu.cn