刺激响应型水凝胶生物粘合剂用于构筑生物电子界面

水凝胶生物界面粘合韧性主要由两部分贡献（Γ = Γ0+ ΓD）：水凝胶与组织界面的结合（如化学锚定或物理吸附），为固有韧性(Γ0 ≈ 1～50 J/m2）；水凝胶内部通过滞后效应来耗散能量，为外在韧性(ΓD)。通过内部动态键等耗散基元的引入来提高外在韧性，能显著提高水凝胶粘合界面的韧性。现阶段高韧性界面的可控剥离可以通过断裂水凝胶高分子链与基底的键合，实现无损剥离, 但是依旧存在一些挑战，包括苛刻的触发条件（如加热/降温、紫外线照射、引入浓缩的金属离子等）、较长的等待时间等，无法适用于生物组织粘合类应用场合。因此，开发粘合界面高度可控的水凝胶类生物粘合剂，用于构建稳定高效的生物电子界面，能为新兴生物电子器件的开发和个性化医疗设备的发展提供强有力的支持。  

近日，南方科技大学刘吉团队在《Advanced Functional Materials》上发表文章《Trigger-Detachable Hydrogel Adhesives for Bioelectronic Interfaces》，报道了一种刺激响应型水凝胶，用于构建性能高度可调控的生物电子界面。该团队通过在水凝胶粘合剂内引入动态分子识别（比如苯硼酸与多元醇的络合），能有效的提高水凝胶的自身高韧性，且能与潮湿的组织表面瞬间发生强力黏附（> 400 J m-2）。在特定生物相容性刺激下（如喷涂葡糖糖溶液），短时间内（< 3 min）动态键等耗散基元迅速解离（ΓD急剧降低），这类生物界面韧性迅速降低一个数量级以上（Γ = Γ0 + ΓD < 30 J m-2），实现按需解粘附。

图1. 刺激响应型水凝胶生物粘合剂的设计原理及粘附性能测试。

商业生物电极粘合剂多数采用聚氨酯，丙烯酸酯或硅酮等，在长期使用过程中可能会引发皮肤发痒等不适，且在湿润组织界面会发生脱落。这类水凝胶粘合剂能够将商业化肌电电极(EMG)粘附于皮肤表面；与商业化电极相比，这类水凝胶粘合层在运动、出汗状态下都不会失效。而在生物刺激触发下，EMG电极很容易从皮肤表面分离，不会造成任何不适。

图2. 刺激响应型水凝胶生物粘合剂用于可穿戴表皮电子产品。

水凝胶粘合剂在临床医学及健康监测领域具有广泛的应用前景。为了进一步探索其在体内生物电子界面的应用，该团队利用这类刺激响应型水凝胶粘合剂来构建一类电子器件与兔子动脉血管的生物电子界面，成功的监测到动脉血流涌动的生理信号，如血压、心率等。这类体内生物电子界面稳健性好，能够实现快速安装，刺激响应下快速无损移除，因此降低了血管损伤的风险。同时，剥离产生的残余物生物相容性高，且能快速生物降解和吸收，无任何副作用。

视频1. 刺激响应型水凝胶生物粘合剂用于体内动脉血流监测。

南方科技大学博士生薛羽，博士后张俊和博士生陈兴梅为论文共同第一作者，刘吉副教授为通讯作者。该研究得到深圳市政府和南方科技大学科研启动基金，麻省理工学院和南方科技大学机械工程研究与教育中心,深圳市科技创新委员会和广东省基础研究和应用基础研究等基金项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106446