《AS》宁波材料所周扬团队在用于生物传感的离子导电水凝胶材料研究方面取得进展

生物电子学在人体运动监测、个人健康监护和医疗诊断领域具有广泛应用，但是，由于柔软湿润的生物组织与刚性电子器件之间的差异，开发更兼容、更有效和更稳定的生物电子接口一直是生物传感领域的难题之一。离子导电水凝胶因其柔软湿润的三维结构、与组织相似的机械特性、与人体一致的导电机制和优异的刺激响应性在生物电子学领域扮演了重要角色。然而，开发出集优异的机械性能、导电性、保水性、自粘性和抗菌性等于一体的水凝胶材料仍具有很大的挑战，也是目前制约该领域发展的瓶颈问题。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进诊疗材料与技术实验室生物医用高分子材料团队周扬副研究员等成功制备了一种具有优异综合性能的离子导电水凝胶材料，该水凝胶兼具拉伸性、导电性、应变响应性、自我再生和锁水保湿能力、自粘附性、抗菌性及生物相容性等性能，在健康监测、穿戴式/非接触式心电信号监测以及感染创面修复等方面展现出重要的应用潜力。

研究人员精心设计和合成了一种脲基-离子液体（UL）。通过化学方法将脲基引入咪唑型离子液体的侧链，合成了UL离子液体，提高了咪唑型离子液体固有的抗菌能力，并改善了生物相容性。通过筛选水凝胶组分、对水凝胶网络进行合理设计，将合成的UL离子液体与甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）、丙烯酰胺（AM）引入水凝胶体系，加入氯化钠作为增强导电的介质，通过光引发使单体原位共聚制备得到了ULAS水凝胶。与传统的咪唑型离子液体相比，脲基-离子液体显著提高了水凝胶的机械性能，包括拉伸强度（340 kPa）、断裂伸长率（1075%）、韧性和抗疲劳性。UL显著提高了水凝胶的离子导电性，同时水凝胶具有优异的应变响应能力，GF值可达3.45。ULAS水凝胶具有自修复、保水、自我再生和自粘附等优异的综合性能。将ULAS水凝胶组装成高度灵敏的应变传感器，为监测不同尺度的生理、运动信号提供了可行策略；将ULAS水凝胶应用于心电监测系统，有效提高了穿戴式和非接触式心电监测的灵敏度和舒适度，特别是将非接触式心电监测系统用于需长期静卧病人的心电监护时，可监测到准确的心电信号，而且不会造成床单、衣物和皮肤的润湿，大大降低了长期卧床病人患褥疮的风险。此外，与带有C4脂肪链的传统咪唑型离子液体相比，脲基-离子液体的生物相容性显著提高，并且增强了ULAS水凝胶的抗菌性能，表现出广谱抗菌功效，特别是对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有强大的抗菌活性。ULAS水凝胶的导电性使它们成为电刺激（ES）疗法电极贴片的理想选择，能有效加速感染创面的愈合。

图1ULAS水凝胶及其生物电子学应用

相关成果

Advanced Science

Ureido-Ionic Liquid Mediated Conductive Hydrogel: Superior Integrated Properties for Advanced Biosensing Applications

DOI: 10.1039/D4EE01157K

作者信息

第一作者

纪睿颖

温州医科大学与宁波材料所合培硕士生

通讯作者

周扬 宁波材料所副研究员

项目支持

宁波市科技创新2025重大项目

2020Z091

国家自然科学基金

深圳市高新区发展特别计划坪山区创新平台建设项目

29853MKCJ202300208

宁波市自然科学基金

2022J048

浙江省自然科学基金

LQ21E030006

来源：中国科学院宁波材料所