近年來(lái)，基于水凝膠的柔性傳感器在醫(yī)用器材和智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其性能常因水分的快速蒸發(fā)而受到影響，導(dǎo)致傳感靈敏度和機(jī)械耐久度的下降。盡管各研究團(tuán)隊(duì)取得了顯著的進(jìn)展，如引入有機(jī)溶劑、電解質(zhì)和彈性體復(fù)合材料，但仍存在導(dǎo)電性下降、界面錯(cuò)位以及動(dòng)態(tài)條件下對(duì)凝膠內(nèi)部水分保護(hù)不足的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，南京大學(xué)薛斌、曹毅、王煒等受到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種自適應(yīng)性脂質(zhì)整合涂層（ALIBC），以增強(qiáng)水凝膠傳感器的保水性。脂質(zhì)層和長(zhǎng)鏈兩親性分子作為致密嵌入涂層和錨定劑，模仿細(xì)胞膜中的脂質(zhì)和膜蛋白的作用，同時(shí)水凝膠內(nèi)的備用脂質(zhì)可以遷移至表面，防止動(dòng)態(tài)條件下的脫水。該涂層能夠有效防止水凝膠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的水分蒸發(fā)，同時(shí)不影響其固有的柔性、導(dǎo)電性和細(xì)胞相容性，在48小時(shí)的靜態(tài)條件和30000次動(dòng)態(tài)負(fù)載循環(huán)中，分別保持了49.3%和47.3%的水分。帶有ALIBC的水凝膠傳感器在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)傳感條件下表現(xiàn)出顯著的性能提升，其電阻變化在10個(gè)變溫周期以及48h循環(huán)監(jiān)測(cè)人體動(dòng)作中保持穩(wěn)定，基線偏移率低于8%。這項(xiàng)工作為精確控制水凝膠基傳感器的保水性而不影響其本征特性提供了一種通用方法。該工作以“Bioinspired Adaptive Lipid-Integrated Bilayer Coating for Enhancing Dynamic Water Retention in Hydrogel-Based Flexible Sensors”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。文章第一作者為南京大學(xué)博士生柏鳴，通訊作者為南京大學(xué)薛斌副教授，曹毅教授和王煒教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和等項(xiàng)目的支持。

【自適應(yīng)性脂質(zhì)整合涂層ALIBC】

借鑒細(xì)胞膜流體鑲嵌模型的理念，作者提出了一種通用的水凝膠保水策略，該策略能夠在不損害其固有機(jī)械性能、導(dǎo)電性和生物相容性的前提下，顯著提升水凝膠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的保水能力。具體而言，作者在水凝膠表面引入了共價(jià)鍵合的疏水UA分子，形成初步的保水層，并作為后續(xù)脂質(zhì)雙分子層的錨定結(jié)構(gòu)。作者選用兩種凝膠-液態(tài)轉(zhuǎn)變溫度在室溫左右的脂質(zhì)（DMPC與HSPC）作為嵌入長(zhǎng)鏈UA的動(dòng)態(tài)脂質(zhì)分子，進(jìn)一步構(gòu)建自適應(yīng)型脂質(zhì)整合涂層（ALIBC），從而增強(qiáng)了水凝膠保水性。此外，備用脂質(zhì)以聚集體的形式儲(chǔ)存在水凝膠中，這些脂質(zhì)可以遷移到應(yīng)變下凝膠表面脂質(zhì)層的裂縫中，從而確保在動(dòng)態(tài)條件下有效保持水分。

圖1 自適應(yīng)脂質(zhì)整合涂層（ALIBC）及其保水機(jī)制示意圖。

【ALIBC在凝膠表面的微觀結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部磷脂遷移】

作者通過(guò)對(duì)不同水凝膠表面進(jìn)行共聚焦拉曼化學(xué)成像，觀察到ALIBC類似細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌結(jié)構(gòu)。光脫色熒光恢復(fù)實(shí)驗(yàn)（FRAP）印證了凝膠表面磷脂的流動(dòng)性受疏水錨定劑分子的影響。為了直接觀察內(nèi)部和表面脂質(zhì)的動(dòng)態(tài)遷移，作者使用激光共聚焦熒光顯微鏡的熒光標(biāo)記輔助三維重建技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)磷脂的分布情況，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變條件下內(nèi)部磷脂向表面涂層裂縫處遷移。

圖2 ALIBC中的流體鑲嵌結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)遷移

【帶有ALIBC的水凝膠的保水、力學(xué)以及長(zhǎng)期傳感性能】

作者對(duì)帶有不同ALIBC的水凝膠進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)條件下的保水性能測(cè)試。在48小時(shí)的靜態(tài)條件和30000次動(dòng)態(tài)負(fù)載循環(huán)中，水凝膠含水量依然分別維持在49.3%和47.3%。另外，由于DMPC和HSPC動(dòng)態(tài)活性的差異，可以通過(guò)調(diào)節(jié)二者比例控制保水性能，這種策略可以調(diào)整特定應(yīng)用所需的保水特性，例如在潮濕環(huán)境中促進(jìn)傷口愈合，同時(shí)避免濕度過(guò)高導(dǎo)致潰瘍惡化。在驗(yàn)證了保水性之后，作者探索了ALIBC對(duì)水凝膠機(jī)械性能的影響。以往的研究表明，由于內(nèi)部交聯(lián)保水層和水凝膠的機(jī)械性能不匹配，會(huì)不可避免地影響水凝膠的延展性和模量，而帶有ALIBC的水凝膠由于其疏水分子是以線性長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)鍵合于凝膠表面，并且磷脂層以非共價(jià)鍵的形式嵌入，因此不會(huì)受到影響。作者最后驗(yàn)證了其在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)傳感測(cè)試中的穩(wěn)定性，在48小時(shí)內(nèi)，帶有ALIBC的水凝膠傳感器在手指和肘部彎曲/伸直時(shí)顯示出一致且可分辨的傳感信號(hào)，并且基線偏差小于8%，對(duì)比對(duì)照組有顯著提升。

圖3 帶有ALIBC的水凝膠在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的保水性

圖4 帶有不同ALIBC涂層的水凝膠的力學(xué)特性

圖5 ALIBC水凝膠基傳感器的長(zhǎng)期傳感性能

總結(jié)：作者從細(xì)胞膜的流體鑲嵌模型中汲取靈感，開(kāi)發(fā)出一種通用的水凝膠保水策略，同時(shí)又不影響其固有的拉伸性、導(dǎo)電性和生物相容性，而這一點(diǎn)在傳統(tǒng)方法中往往被忽視。更重要的是，即使在長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)加載循環(huán)下，水凝膠內(nèi)部脂質(zhì)的遷移也能可逆地修復(fù)保水層裂縫，從而維持水凝膠的保水性。這確保了水凝膠傳感器在動(dòng)態(tài)條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳感能力。

審核編輯 黃宇