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北京師范大學劉楠教授領導的團隊設計了一種完全可生物降解且生物相容性的離子電子皮膚，基于雙網(wǎng)絡天然聚電解質衍生物構建而成。該離子電子皮膚材料由羧基化殼聚糖（CCS）和磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）在甘油和水中聚合，并通過氫鍵和靜電相互作用進行交聯(lián)，形成了一種名為 SBMAX-CCSY-Glyz 的材料。通過對材料的大分子工程，離子電子皮膚具有高離子導電性能、良好的與皮膚適應性，并且能夠完全降解，可進行瞬態(tài)的電生理測量。
可生物降解且生物相容性的離子電子皮膚（SBMA40-CCS1-Gly2）所包含的一個網(wǎng)絡由水溶性的 CCS 通過氫鍵交聯(lián)而成。CCS 是殼聚糖衍生物，具有優(yōu)良的生物相容性、可生物降解性、抗菌性等特性。它還是一種兩性離子聚電解質，具有良好的離子導電性。另一個網(wǎng)絡由電荷吸引力交聯(lián)的聚合物 SBMA 組成。SBMA 是一種具有良好生物相容性的離子型分子。其主鏈富含陽離子和陰離子，可以通過離子偶極相互作用和陽離子 -π 相互作用與不同界面形成粘附。通過電荷吸引力交聯(lián)的 SBMA 二聚體或寡聚體可以在鹽水溶液中輕易分離，因此具有可生物降解性。甘油（Gly）和水為網(wǎng)絡提供了豐富的氫鍵位點，提高了整個網(wǎng)絡的交聯(lián)性。
為了理解雙網(wǎng)絡的結合相互作用，作者進行了密度泛函理論（DFT）計算，計算了 CCS、SBMA、水和甘油分子之間的結合能。兩個水分子通過氫鍵結合的結合能為 5.836 kJ mol-1，而水分子和甘油分子之間的氫鍵結合能為 9.520 kJ mol-1，表明甘油和水的混合體系更適合增強整個網(wǎng)絡的結合能力。SBMA 分子之間的靜電相互吸引非常強，其結合能值高達 56.145 kJ mol-1。這主要歸因于 SBMA 兩個分子之間形成的雙靜電吸引結構。在整個系統(tǒng)中，水分子和甘油通過氫鍵在 SBMA 和 CCS 鏈之間建立了橋梁狀連接，從而增加了整體的結合能力。另一方面，水分子與 CCS 之間的結合能為 41.657 kJ mol-1，而水分子、甘油以及 SBMA 和 CCS 分子之間的氫鍵結合能分別為 51.4 kJ 和 60.4 kJ mol-1。組分之間增加的結合力牢固地鎖定了水分子在聚合物網(wǎng)絡中，抑制了水的揮發(fā)，破壞了晶格的形成，確保了離子電子皮膚的日常使用。
為了深入了解降解機制，作者首先分析了 SBMA40-CCS1-Gly2 的化學結構組成。值得注意的是，CCS 和甘油是水溶性的，在浸泡在水中后，主要殘留成分是通過靜電吸引交聯(lián)的聚合物化合物 SBMA。因此，降解機制可以簡化為在鹽水溶液中降解基于 SBMA 的網(wǎng)絡。通過密度泛函理論計算優(yōu)化了雙分子 SBMA 片段的幾何構型。在鹽水溶液中，SBMA 二聚體的解離能僅為 6.1 kJ mol-1，而在真空中高達 56.1 kJ mol-1，表明 SBMA 二聚體片段更容易在鹽水溶液中分離。這與由靜電吸引力構建的 SBMA 網(wǎng)絡在鹽水中容易破壞的現(xiàn)象一致。SBMA 基網(wǎng)絡的交聯(lián)度降低將導致 SBMA40-CCS1-Gly2 在鹽水中溶解性增強。作者進一步比較了去離子水和磷酸鹽緩沖溶液中的質量保留率。在去離子水中，SBMA40-CCS1-Gly2 的降解速率相對較低，在室溫下經(jīng)過 3 天后，保留了約 40% 的質量。相比之下，在室溫下的 PBS 溶液中，它表現(xiàn)出卓越的生物降解性，在 3 天后完全降解，這優(yōu)于先前報道的可生物降解材料。分子動力學（MD）模擬被應用于揭示在真空和 PBS 溶液中 SBMA 兩個片段之間的相互作用距離的時間演化。在真空中，SBMA 二聚體幾乎沒有變化。另一方面，在約 600 ps 后，SBMA 二聚體逐漸分離，隨著時間的推移距離越來越遠，再次證明了 SBMA40-CCS1-Gly2 在鹽水溶液中的易降解性。
SBMA40-CCS1-Gly2 的生物相容性是皮膚可附著電子器件的先決條件。通過體外細胞實驗對 SBMA40-CCS1-Gly2 的生物相容性進行了測試和評估。如下圖所示，人皮膚成纖維細胞（HSF）被培養(yǎng)在 SBMA40-CCS1-Gly2 和對照組上。熒光圖像顯示，在 24、48 和 72 小時后，大量活細胞在 SBMA40-CCS1-Gly2 和對照組上良好生長。細胞存活率通過使用 3-（4，5- 二甲基噻唑 -2- 基）-2，5- 二苯基四唑溴化物（MTT）進行測定。具體值通過公式（OD 樣本 -OD 背景）/（OD 對照 -OD 背景）計算，其中 OD 代表光密度。一般來說，細胞存活率大于 80 %被視為良好的生物相容性。因此，SBMA40-CCS1-Gly2 樣品的高細胞存活率超過 100%，表明具有增強的生長能力。CCS 和 SBMA 的化學結構可能起到了作用。首先，CCS 中的胺基可輕易質子化成銨離子，與細菌的負電荷細胞膜相互作用，從而吸附和凝聚細菌，干擾細菌的代謝，產(chǎn)生抗菌作用。其次，CCS 和 SBMA 可以被細胞基質吸收，提供營養(yǎng)物質并促進細胞生長。通過小鼠體內(nèi)實驗驗證了 SBMA40-CCS1-Gly2 的體內(nèi)生物相容性。兩只雌性小鼠的背部被剃毛，受傷程度不同，并貼上 SBMA40-CCS1-Gly2 膜。24 小時后，受傷較輕的小鼠完全恢復，受傷較重的小鼠形成痂并無感染。這主要是因為 SBMA40-CCS1-Gly2 中的 CCS 具有殺菌和消毒作用，有效抑制創(chuàng)傷感染。組織學分析顯示，SBMA40-CCS1-Gly2 和對照組對皮膚組織和皮下附屬器官如毛囊、皮脂腺和血管沒有明顯的結構變化。在真皮中可以看到大量的粒細胞浸潤（藍色箭頭）和皮下（紅色箭頭），證明 SBMA40-CCS1-Gly 具有優(yōu)良的體內(nèi)生物相容性。
SBMA40-CCS1-Gly2 具有粘附性和高導電性，同時具有適中的楊氏模量，這對于皮膚電子器件非常理想。粘附力-位移曲線表明，SBMA40-CCS1-Gly2 可以有效地附著在不同的基底上，包括玻璃、PET、銅板、A4 紙和豬皮。SBMA40-CCS1-Gly2 與玻璃之間的粘附強度高達 370 kPa，甚至 SBMA40-CCS1-Gly2 與豬皮之間的粘附強度也達到了 130 kPa。SBMA40-CCS1-Gly2 的粘附機制主要由四種化學相互作用組成，包括由 CCS 和甘油引起的氫鍵相互作用、由 SBMA 單元形成的靜電吸引力、陽離子 -π 相互作用和離子偶極相互作用。這些力極大地提高了SBMA40-CCS1-Gly2 在各種基底上的粘附性能。通過優(yōu)化其組成，SBMA40-CCS1-Gly2 展示了最大的斷裂應變，其斷裂時的最大應變約為 380%±25。CCS40-SBMA1-Gly2 在含汗液條件下的應力-應變曲線表明，汗液對材料的力學性能影響較小，表明可能適用于長時間運動等汗液場景。甘油的含量對整個聚合物的楊氏模量有很大影響。SBMA40-CCS1-Gly2 的楊氏模量約為 1±0.1 MPa，非常適合用于皮膚電子器件。
接下來，作者通過改變 SBMA 的含量研究了 SBMAx-CCS1-Gly2 的離子導電性。在甘油-水體系中，CCS 中的羧酸基容易電離產(chǎn)生氫離子，有助于兩性聚合物網(wǎng)絡中離子的遷移。另一方面，甘油增強了材料的電荷轉移。在自支持膜中，甘油比例的增加可以使整體材料變軟，并加快聚合物網(wǎng)絡中的離子遷移。離子導電率通過以下公式計算：o =L/(Rb × A)，其中 L 和 A 分別表示測試樣品的厚度和面積，Rb 是從阻抗譜計算得到的體內(nèi)電阻。SBMA40-CCS1-Gly2 的離子導電率可以達到近 10-4 S cm-1，相較于 SBMA40-Gly2 和 SBMA40-CCS1-Gly1 更高。為了適應長時間佩戴的嚴酷條件，對不同形變下的電性穩(wěn)定性要求很高。與傳統(tǒng)電子導體不同，基于離子傳導的 SBMA40-CCS1-Gly2 能夠在 100% 的變形范圍內(nèi)保持離子導電性。此外，SBMA40-CCS1-Gly2 與皮膚之間的電化學阻抗非常低，甚至小于商用 Ag/AgCl 凝膠電極的阻抗。
準確獲取電生理信號對于可穿戴醫(yī)療設備至關重要，為身體和心理健康提供有效的信息。皮膚電極是這種測量中的主要消耗品，目前商業(yè)電極中 Ag/AgCl 凝膠電極占主導地位。
作為一種生物相容性和可生物降解的離子電子皮膚材料，SBMA40-CCS1-Gly2 可能可以取代 Ag/AgCl 凝膠電極進行瞬態(tài)電生理測量，以減少電子廢棄物的產(chǎn)生。為了展示 SBMA40-CCS1-Gly2 在檢測電生理信號方面的能力，首先將 SBMA40-CCS1-Gly2 應用于志愿者的手腕進行心電圖記錄。它呈現(xiàn)了清晰的心電圖信號，與 Ag/AgCl 凝膠電極獲得的典型特征峰相似，包括 P 波（心房極化波）、QRS 波群（心室去極化波）和 T 波（心室復合波）。當將振動器固定在電極 1 厘米處時，由 Ag/AgCl 凝膠電極記錄的信號明顯衰減，而由 SBMA40-CCS1-Gly2 記錄的信號保持原始質量，這表明具有粘附和導電性的 SBMA40-CCS1-Gly2 可能會減少運動偽跡。此外，為了展示在復雜情況下的應用，作者還研究了 SBMA40-CCS1-Gly2 在不同濕度水平下的穩(wěn)定性和長期耐久性。
SBMA40-CCS1-Gly2 在不同濕度水平下能夠保持良好的穩(wěn)定性，即使將 SBMA40-CCS1-Gly2 放置在空氣中三個月后，它仍然能夠準確檢測穩(wěn)定的心電圖信號。當時間過去六個月時，其基線變得稍微粗糙。這種優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性主要歸因于 SBMA40-CCS1-Gly2 的化學結構：水分子以氫鍵的形式鎖定在聚合物網(wǎng)絡中。從本質上講，水分子與周圍不同功能基團之間的競爭性相互作用是維持材料整體保濕性的關鍵因素。
與 Ag/AgCl 凝膠電極相比，SBMA40-CCS1-Gly2 記錄的肌電圖信號具有稍高的平均信噪比（SNR，42.5dB 對 42.0dB）。以上結果表明，SBMA40-CCS1-Gly2 能夠在測試者進行運動時記錄電生理信號，而且還可以準確測量角膜和視網(wǎng)膜之間的電位差，即眼電圖（EOG）。它呈現(xiàn)出與 Ag/AgCl 凝膠電極獲得的清晰EOG信號相似的結果。當眼睛靜止或眨眼一次和兩次時，EOG 信號可以清晰地識別這些動作，表明 SBMA40-CCS1-Gly2 在眼科醫(yī)學和醫(yī)療保健中具有應用潛力。SBMA40-CCS1-Gly2 還可以用于檢測腦活動，如腦電圖（EEG）。
此外，通過準確獲取電生理信號，作者將 SBMA40-CCS1-Gly2 應用于與機械手的接口。分別將三個電極粘附在伸長肌長肌、短肌肉和橈骨腕屈肌上，這些肌肉的興奮-收縮產(chǎn)生的肌電圖信號被轉換為脈寬調(diào)制脈沖以控制機械手。
神經(jīng)電信號的測量高度依賴皮膚電極，而這些電極的廢棄物無疑會導致環(huán)境污染。離子電子皮膚電極不僅能夠獲取高質量的神經(jīng)電信號，而且由于完全可快速生物降解的特性，不會產(chǎn)生任何環(huán)境廢物。另一方面，對于體內(nèi)的瞬態(tài)電生理測量存在迫切需求，因為在治療后額外進行電極移除的操作必然會對神經(jīng)束造成損傷。作為概念驗證，作者植入 SBMA40-CCS1-Gly2 電極到牛蛙坐骨神經(jīng)中，用作體內(nèi)復合動作電位（CAPs）的記錄和神經(jīng)刺激的神經(jīng)電極。神經(jīng)信號的采集和電刺激在神經(jīng)麻痹、癲癇、帕金森綜合征和脊髓損傷等疾病的治療中具有重要的臨床應用價值。在坐骨神經(jīng)的一端使用鉑絲作為刺激電極，另一端使用兩個 SBMA40-CCS1-Gly2 作為記錄電極，并記錄了不同時間的數(shù)據(jù)。在一系列的單相矩形波刺激下，誘發(fā)的動作電位沿著神經(jīng)傳播，并通過 SBMA40-CCS1-Gly2 進行記錄，顯示出很高的信噪比，這可以歸因于電極的高離子導電性和與神經(jīng)的良好適應性。此外，隨著刺激電壓的增加，動作電位信號的峰值變得更加明顯。值得注意的是，離子電子皮膚在 3 天后將完全降解和吸收，伴隨著神經(jīng)電信號的消失。電生理和刺激的瞬態(tài)測量表明，SBMA40-CCS1-Gly2 可以作為可生物降解的神經(jīng)電極，無需進行二次手術。
完全可生物降解且生物相容的離子電子皮膚可以作為無電子廢物足跡的環(huán)保電子設備，它基于雙網(wǎng)絡天然聚電解質衍生物，可以在室溫下在磷酸鹽緩沖溶液中僅需 3 天完全降解，這主要歸因于可溶于水的 CCS 和鹽溶液中 SBMA 聚合物的易分離碎片。通過大分子設計和工程的進展，這種離子電子皮膚還表現(xiàn)出高離子導電性、與皮膚良好的適應性和完全可生物降解性。因此，它能夠準確檢測電生理信號而無需產(chǎn)生電子廢物。此外，它可以在牛蛙坐骨神經(jīng)上記錄和刺激神經(jīng)電信號，并且因為可以快速降解，而無需進行額外的電極移除手術?？蓪щ?、可生物降解和生物相容的離子電子皮膚對電生理和刺激的瞬態(tài)測量可能為綠色可穿戴和植入式電子帶來廣闊的前景
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