本站AI自動判斷提供您所需要的app下載：點我下載安裝，你懂的APP
*僅供醫學專業人士閱讀參考
點擊右上方“關注”，準時接收每日精彩內容推送。
可穿戴生物電子學的最新進展開辟了了解人體并為其提供新功能的新方法。這些可穿戴設備可以監測人體的生理信號，并有助于對疾病進行復雜的診治。
然而，典型的可穿戴設備是剛性的，并且會表現出不可靠的功能并導致組織損傷，這是由于設備與界面處組織之間的機械不匹配造成的。為了克服這些限制，柔性和可拉伸的生物電子學引起了廣泛關注，因為它們可以適應人體皮膚或器官的機電特性和變形。人機界面 (HMI) 對于機器和組織之間的有效通信至關重要。然而，機械和生物不匹配，以及剛性電子設備和軟組織之間的粘附力弱，通常會導致不可靠的響應并影響 HMI 的信號記錄。
來自華南理工大學的陳港和Boxin Zhao團隊開發了一種不對稱的“Janus”生物凝膠貼片，其一側牢固地粘附在組織上，而另一表面幾乎沒有粘附力并且與周圍環境的相互作用最小。本研究進行了一系列分析、機械和電氣測試，以分析“Janus”生物凝膠貼片作為功能性和生物相容性 HMI。發現一側的沒食子酸改性明膠粘附表面表現出體溫依賴性組織粘附，可實現低模量和無縫皮膚接觸。另一面是一層堅韌的明膠/甘油凝膠層，通過熱熔接進入粘合層，起到密封劑的作用，從而防止因粘合而受到外界干擾。封裝層在潮濕時也表現出低摩擦系數，并被證明是傳統封裝材料的可靠替代屏障。這種“Janus”生物凝膠所揭示的科學見解和工程原理將適用于廣泛的生物醫學應用，例如表皮粘附電極或皮膚粘附可穿戴設備。相關工作以題為“Asymmetric “Janus” Biogel for Human-Machine Interfaces”的文章發表在2023年5月11日的國際著名期刊《Advanced Functional Materials》。
1. 創新型研究內容
本研究開發了一種基于凝膠的“Janus”生物凝膠貼片作為皮膚電子的界面，其內表面對皮膚的粘附力高，外表面的粘附力可忽略不計，并提供抗水侵蝕和脫水能力。在此設計中，由于鄰苯二酚基團、靜電引力和氫鍵與皮膚表面的協同作用，內部粘合層表現出很強的粘合力。同時，外封裝層充當光滑的屏障，以最大限度地減少粘附并阻擋環境干擾。當應用于人體皮膚時，本研究的“Janus”生物凝膠貼劑表現出體溫觸發的粘附性，表面堅韌穩定。研究結果表明，“Janus”生物凝膠貼片可以作為橋接界面，實現與人體皮膚的保形粘附，并有助于監測運動信號。
如圖 1 所示，“Janus”生物凝膠貼片被設計為一種靈活透明的敷料，其由熱焊接雙層組成：粘合層和封裝（堅韌保護）層，其中所有成分均來自可生物降解的自然資源。圖 1c 說明了粘合劑層和封裝層之間界面處熱焊接的分子機制。在合成過程中，首先制備粘合劑層，然后在頂部澆鑄熱液體形式的封裝層。由于熱誘導表面熔化過程，兩層之間的界面在頂層冷卻時無縫“焊接”。界面的光學顯微圖像也證實粘合劑層和封裝層被熱“焊接”在一起。在雙層結構中，粘合層（底部）包括由沒食子酸改性魚皮明膠（GA-FGel）、豬皮明膠（PGel）、2,3-二醛纖維素納米纖維（Dia-CNFs）、甘油組成的互穿網絡(Gly) 和氯化鈉 (NaCl)。PGel為主要基質，其他生物相容性成分為功能性添加劑主要有：強粘附性的GA-FGel用于防止殘留和提高機械性能的Dia-CNFs、離子導電性的NaCl以及環境穩定性的甘油-水二元溶劑體系。封裝層（頂部）是通過簡單的溶膠-凝膠工藝應用天然 PGel 和甘油-水二元溶劑系統制備的，其中 PGel 聚合物鏈作為主要網絡，而甘油用于改善物理交聯點以增強韌性。
圖1 用于實現可穿戴生物電子設備的人機界面的“Janus”生物凝膠貼片示意圖
粘合劑生物凝膠 (GA-FGel/PGel/Dia-CNF/Gly) 是一種超柔軟材料，使其與柔軟的人體皮膚機械相容。如圖 2所示，在相對厚度為 3 mm 時，軟粘附生物凝膠可以貼合地覆蓋玻璃管的圓柱形表面，而硬質聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 彈性體和聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝膠則不能。此外，粘合劑生物凝膠還可以無縫覆蓋表面凹槽，而 PDMS 彈性體和 PAAm 水凝膠在它們之間留下間隙。本研究還使用光學顯微鏡對界面區域的形態進行了成像。本研究的生物凝膠、PAAm 水凝膠和 PDMS 彈性體都可以貼合平板玻璃板。然而，只有粘性生物凝膠可以無縫覆蓋凹槽表面，而 PDMS 彈性體和 PAAm 水凝膠在它們之間留下了間隙，這與上述結果一致。此外，在將粘附性生物凝膠整合到氣球上后，生物凝膠可以隨著氣球的膨脹表面明顯變形，顯示粘附性生物凝膠與軟基底之間的共形接觸。作為進一步的證明，粘附性生物凝膠可以粘附在人的手指上，并且在手指彎曲時容易變形，沒有任何滑動，其表現出良好的皮膚粘附性和變形匹配特性。
圖2 粘合生物凝膠層的機械、微壓痕和摩擦測量
考慮到本研究的粘合生物凝膠的實際應用，本研究進一步測量了它們在人類皮膚和豬皮膚上的粘合力。有趣的是，90°剝離測試結果表明，常溫下在人皮上的粘合強度優于在豬皮上的粘合強度；粘附強度隨著人體皮膚表面接觸時間的增加而增加（圖 3）。本研究推測這些結果可能與溫度響應粘附增強有關。為了驗證這一點，本研究描述了粘性生物凝膠響應溫度變化的流變學特性。在加熱過程中，粘性生物凝膠（GA-FGel/PGel/Dia-CNF/Gly）的 G′ 和G″; 值都隨著溫度的升高而持續下降。粘合劑生物凝膠的相應tanδ（G“/G′）與溫度的關系曲線在≈32.3 ℃處顯示出重要的轉折點，這表明它從粘彈性凝膠到粘性液體的開始轉變溫度。在 ≈40.9 ℃ 時 tanδ 增加到 >1 后，完全發生了從類固態到類液態的可逆轉變；這是由于粘合劑生物凝膠中物理相互作用的熱誘導破壞和重建。
圖3 粘合劑生物凝膠層在皮膚上的附著力
本研究開發了一種基于豬皮明膠和甘油的可生物降解包封材料，作為上述技術的綠色和簡單替代品。首先，制備了具有不同甘油/水含量比的豬皮明膠-甘油 (PGel-Gly) 去包封生物凝膠。然而，即使在 70℃下，當 mGly：m water的含量比超過 5：5 時，混合的 PGel-Gly 水溶液也會凝膠化，使其不適合進一步使用。因此，本研究測量了其他制備的封裝生物凝膠（PGel/Gly）的機械性能，觀察到拉伸性和斷裂伸長率隨著甘油含量的增加而增加（圖 4）。當含量比達到 5:5 時，優化的包封生物凝膠顯示出高機械強度 (470 kJ m?3)、拉伸性 (≈ 400% 應變) 和拉伸強度 (≈250 kPa)，使其可用于實際應用。與純豬皮明膠相比，甘油的添加使生物凝膠的韌性提高了 30 倍。此外，本研究的生物凝膠可以被壓縮到其原始高度的 70%，而純豬皮明膠在達到這個壓縮水平之前就會破裂。冷凍干燥后的 SEM 成像顯示純豬皮明膠具有無序的多孔結構，而甘油包封生物凝膠具有致密和緊密的結構。這些結果表明，由于甘油和明膠鏈之間的物理交聯，甘油大大提高了生物凝膠的機械性能，這導致良好的柔韌性和彈性以適應外部變形。
圖4 PGel-Gly 封裝生物凝膠層的機械、微壓痕和摩擦特性
根據以上研究結果，本研究組裝并測試了“Janus”生物凝膠貼片的相關性能（圖5）。正如預期的那樣，“Janus”生物凝膠貼片通過熱“焊接”在封裝層和粘附層之間形成非常緊密的界面。即使經過 500 次彎曲循環，或在 -20 ℃下冷凍 24 小時后，雙層生物凝膠界面也沒有觀察到明顯的裂縫或斷裂；“Janus”生物凝膠在這些苛刻的操作后仍能承受彎曲和拉伸。這些結果表明“Janus”生物凝膠具有很強的界面穩定性。圖 5b 中的顯微壓痕結果表明本研究的“Janus”生物凝膠貼片具有“Janus”粘附功能；一側表面可以緊緊粘附在塑料培養皿上，但另一側不能。此外，本研究的“Janus”生物凝膠貼片顯示出>80% 的部分透明度，這也可能為透明電子產品帶來希望。
圖5 “Janus”生物凝膠貼片的組裝及其在生物電子學中的多功能性
2. 總結與展望
總之，本研究開發了一種“Janus”生物凝膠貼片，它同時具有不對稱粘附特性。使用簡單的熱液澆鑄和溶膠-凝膠方法確保粘附和封裝生物凝膠層之間可靠的耦合界面。粘合生物凝膠層的強粘合力、低模量、超拉伸性和離子導電性確保生物電子與皮膚之間的保形接觸，而封裝層保護生物傳感器免受外部沖擊和設備與周圍環境的粘附。結合兒茶酚基團的化學粘附、靜電相互作用和獨特的明膠鏈，粘合劑層對人體皮膚表現出體溫響應性粘附。此外，由于致密的物理交聯和能量耗散能力，由明膠鏈和甘油組成的包封層表現出高韌性、抗濕摩擦和優異的環境穩定性（抗溶脹和抗干燥性能），使其成為具有潛力的材料。替代其他基于 PDMS/Ecoflex 的封裝材料。研究結果驗證了本研究設計原理，并展示了“Janus”生物凝膠貼片作為透明設備-皮膚界面用于準確測量和分類人類情緒的前景。
了解更多
關注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研資訊~
?前段時間，我們談到女子偶像組合乃木坂46，因為團體中有多位成員擔任雜志專屬模特，所以又被日本媒體稱為“模特團”。不過，她們雖然都是模特，但是分別都有各自的雜志專屬。最近頻頻登上雜志封面的久保史緒里，便是《Seventeen》專屬模特的其中一員。
到底《Seventeen》是本什么類型的雜志，現役模特有哪些呢？
《Seventeen》，又被稱為“JK雜志”，由集英社于1968年6月創辦。刊載內容涉及時尚、少女漫畫、藝能等多個領域，讀者對象主要是十多歲的少女。
?正因為《Seventeen》是以少女為消費對象的雜志，所以專屬模特也是適齡的初高中生，一般到了20歲左右就會畢業離開。畢業后她們有的會繼續當模特，也有的會去當演員、歌手等其他職業。像廣瀨鈴、飯豐萬理江等超人氣演員，都曾經擔任過《Seventeen》的專屬模特。
?《Seventeen》目前現役專屬模特有26人，不但有清原果耶、久間田琳加等新生代人氣演員，也有我們熟悉的久保史緒里、小坂菜緒、山本彩加等偶像成員，模特陣容十分豪華。
清原果耶
橫田真悠
瑪茜彩
坂井仁香
紺野彩夏
八木莉可子
田鍋梨梨花
久間田琳加
久保史緒里（乃木坂46）
大友花戀
小坂菜緒（日向坂46）
山本彩加（NMB48）
田中杏奈
箭內夢菜
宮野陽名
岡本莉音
成田愛純
出口夏希
永瀨莉子
櫻田日和
高橋愛麗絲
大友樹乃
秋田汐梨
雑賀櫻花
布里奇曼游七
瀨戶琴楓
以上便是《Seventeen》雜志的現役模特，她們看起來都青春時尚充滿活力，不知道哪位JK最符合你的理想型？
今日偶像
小坂菜緒
出生日期：2002年9月7日
出生地：大阪府
所屬團體：日向坂46