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  隨著人工智能的快速發(fā)展，對(duì)能夠模擬人體器官功能的仿生電子設(shè)備的需求日益增加。其中，可將壓力、溫度和濕度等外部刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的水凝膠柔性傳感器是目前研究的熱點(diǎn)。然而，水凝膠較差的拉伸性和粘附性嚴(yán)重限制了其在可穿戴電子器件中的應(yīng)用；此外，良好生物相容性使其作為傷口敷料在繼發(fā)性損傷、組織液滲漏、傷口感染和潰瘍等方面的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。

  為了實(shí)現(xiàn)人體生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)同時(shí)促進(jìn)傷口愈合，南京工業(yè)大學(xué)董曉臣教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位聚合工藝制備了高拉伸性、強(qiáng)韌性和高粘附性的雙層復(fù)合水凝膠，實(shí)現(xiàn)了水凝膠柔性應(yīng)變傳感和傷口敷料的雙重功能。其中，雙層結(jié)構(gòu)中的堅(jiān)韌層主要基于十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）/甲基丙烯酸十八酯（SMA）的疏水締合作用及聚丙烯酰胺(PAM)與纖維素納米纖維（CNFs）鏈之間形成的大量氫鍵，具有優(yōu)異的拉伸性和韌性；CNFs@TA懸浮液、丙烯酸（AA）和生物大分子混合溶液在堅(jiān)韌層水凝膠頂部原位聚合形成粘附層。由于水凝膠的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，粘附層前驅(qū)體可以滲透到堅(jiān)韌層的表層，形成互鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種互鎖結(jié)構(gòu)可以將雙層網(wǎng)絡(luò)緊密地連接在一起，有效地避免劇烈變形下的層間相對(duì)滑移；而高導(dǎo)電性的堅(jiān)韌層保障了傳感器優(yōu)異的機(jī)械性能和傳感性能，粘附層可以共形貼合人體皮膚、增強(qiáng)傳感靈敏度和穩(wěn)定性。得益于雙層結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合水凝膠呈現(xiàn)出高拉伸性（＞3600%）、高韌性（＞200kPa）、高粘附性和優(yōu)異的傳感特性。同時(shí)，水凝膠中含有的單寧酸和脯氨酸生物大分子可有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)并促進(jìn)傷口愈合。

圖1. 雙層復(fù)合水凝膠的制備方法及合成機(jī)理

圖2. 雙層復(fù)合水凝膠傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)

  由于高拉伸性、韌性和強(qiáng)粘附性，雙層復(fù)合水凝膠傳感器可以粘附在人體皮膚上，實(shí)現(xiàn)不同幅度人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別和生理信號(hào)檢測(cè)（圖2）。例如，可以精確監(jiān)測(cè)手臂、手腕彎曲和抬頭等大幅度人體運(yùn)動(dòng)，也可以準(zhǔn)確識(shí)別手指彎曲、張嘴和微笑等小幅度人體運(yùn)動(dòng)，在肢體控制和微表情識(shí)別等方面有很好的應(yīng)用前景。

圖3. 雙層復(fù)合水凝膠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和促進(jìn)傷口愈合測(cè)試 （a）粘附層水凝膠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。（b）不同組的ICR小鼠傷口隨時(shí)間變化照片。（c）傷口愈合率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。（d）ICR小鼠傷口第12天的組織切片。（e）傷口敷料促進(jìn)愈合過(guò)程的示意圖。

  在水凝膠雙層結(jié)構(gòu)中引入生物大分子，其作為創(chuàng)口敷料可以明顯抑制細(xì)菌生長(zhǎng)并促進(jìn)傷口愈合（圖3）。在傷口愈合過(guò)程中，雙層復(fù)合水凝膠中的粘附層可以緊緊地貼附在傷口表面，迅速吸收組織滲出液，促進(jìn)傷口愈合；同時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度高的堅(jiān)韌層可以抵抗傷口張力，避免傷口二次損傷。隨著單寧酸和脯氨酸的緩慢釋放，雙層復(fù)合水凝膠在抑制細(xì)菌感染和促進(jìn)傷口快速愈合方面也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

  相關(guān)成果以“Skin-inspired Highly Stretchable, Tough and Adhesive Hydrogels for Tissue-attached Sensor”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（IF=13.273）。該論文第一作者為南京工業(yè)大學(xué)碩士生曲心宇，通訊作者為南京工業(yè)大學(xué)董曉臣教授、邵進(jìn)軍副教授和王倩副教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61775095）、江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃（BZ2019014）和山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)專項(xiàng)資金支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131523