Nano-Micro Letters：明胶水凝胶超材料制造生物电子器件

【背景】可植入生物电子器件能够监测和记录人体健康或病理组织和器官的各种生理信息，受到广泛关注。传统的柔性传感器基底模量的范围（1 MPa至1 GPa）比人体软组织的模量（1 Pa至1 MPa）广泛得多，导致适形性不足和机械失配。为克服人体组织复杂的机械性能和几何特征以及体内复杂的生物化学环境的限制，可降解可修复的生物水凝胶器件是下一代生物电子器件的重要发展方向，然而生物水凝胶较脆，作为可植入生物电子挑战在于：

（1）高韧性、低弹性模量及高生物活性兼具

（2）精确匹配软组织力学，实现与软组织的共形

近期浙江大学机械工程学院的贺永教授、浙江大学医学院的谢志坚教授、贵州大学的李家春教授团队联合在Nano-Micro Letters期刊上发表题为“Gelatin-Based Metamaterial Hydrogel Films with High Conformality for Ultra-Soft Tissue Monitoring”的研究论文，第一作者为陈跃威博士。该工作发明了一种明胶水凝胶薄膜，通过将超材料设计的3D打印网络嵌入水凝胶中，使得该薄膜具有高生物相容性和可调节的力学性能，能为生物电子学开发集成监测和组织修复的植入式传感器提供了新的思路，并为赋予植入式传感器与软组织高度共形提供了定制方法。

图一：力学性能可编程的明胶水凝胶超材料

图二：光固化明胶GelMA30的力学、电学性能

研究人员使用EFL品牌的光固化明胶GM30，制备可伸长约600%，具备超低模量和优异弹性的GelMA 30水凝胶。水凝胶中可加入甘油以避免脱水影响机械性能；加入NaCl溶液以提升电导率。为了进一步调节水凝胶的力学特性，嵌入了柔性超细纤维网络（UFN），该网络由EFL-BP 6601打印。

图三：GelMA30水凝胶的黏附性能与生物相容性

图四：明胶水凝胶超材料的可控力学性能

超细纤微网络UFNs的引入为水凝胶薄膜增加了额外的强度，并提供了协同增强的效果，即新型水凝胶薄膜在力学性能上具有更高的韧性和稳定性。通过调节UFNs的含量和分布，研究人员能够精确控制水凝胶薄膜的力学性能，弹性模量范围在20至420 kPa之间可调，泊松比在-0.25~0.52范围内可调，从而使其更好地适应组织修复和监测的需求。

研究人员也探究了不同拓扑结构的泊松比，可以将单向波纹网络嵌入到水凝胶基质中主要在一个方向上赋予弹性，使薄膜成为监测以关节为代表的单向运动的理想选择；也能使用具有负泊松比效应的三角形和正交波纹网络，形成负泊松比的薄膜，二者分别具有较低与较高的弹性模量，可匹配超软的心脏、肺组织与弹性模量较大的皮肤组织。使用该类衬底的柔性传感器可以避免分层，防止了组织与柔性传感器之间的界面失效，提高了传感器的灵敏度。

图五：GelMA30超材料薄膜的电学特性及其在应变传感器中的应用

为了验证新型水凝胶薄膜在生物体内的与超软组织的适形性，研究人员将具有负泊松比效应以及接近心脏弹性模量的水凝胶薄膜紧密附着在小鼠心脏表面，并成功记录了呼吸与心脏跳动变形引起的电阻变化。这一结果证实了水凝胶薄膜与心脏组织之间的高度适配性和界面有效性。这项研究为水凝胶薄膜在医学监测和诊断领域的应用提供了新的可能。

图六：水凝胶超材料可作为应变传感器以及皮肤修复敷料

研究人员还测试了水凝胶超材料在加速和监测伤口愈合方面的应用。实验结果显示，水凝胶薄膜能够加速伤口愈合，通过监测水凝胶薄膜上的电阻变化，可以实时跟踪伤口愈合的进程，为医生提供信息和指导，以便及时调整治疗方案。此外，早期监测对于伤口监测至关重要，以确保伤口不处于持续的炎症阶段。一旦炎症阶段过去，伤口就会慢慢愈合，不需要持续监测。因此，在组织恢复的初始阶段不需要信号补偿。收集7天的伤口信号只是为了保持监测信号的相对准确性。如果在其他应用中需要延长监测时间，可以选择具有更高交联度和浓度的GelMA水凝胶，或者可以在GelMA表面涂覆疏水涂层以增强其稳定性。此外，应实现适当的信号补偿，以避免由降解引起的信号误差。

图七：伤口再生的组织形态学评价

进一步的实验研究还发现，水凝胶薄膜能够促进伤口的上皮化和血管生成。与空白组相比，应用水凝胶薄膜的伤口在愈合过程中展现出更好的的保湿效果，同时隔离了外部环境带来的刺激，减少了炎症。观察到水凝胶薄膜组的伤口愈合速度较快，愈合后的创面上胶原纤维也更加均匀和丰富。

【小结】力学性能可编程调节的柔性超细纤维网络水凝胶薄膜，能在优秀的生物相容性的基础上，超材料结构设计提供很好的组织共形性能。不仅可以在组织再生时提供物理上的支持和保护，还能够通过电阻变化等方法实时监测伤口愈合进程，有望为生物电子学和组织工程领域的研究带来新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01225-z