游正伟教授团队在生物医用电子弹性体领域再获新进展:细胞壁启迪的自愈合材料

近年来,电子皮肤、可穿戴电子和植入电子等生物集成电子器件发展迅速,可拉伸电子更是新兴方向之一,而弹性体是其中的重要组成部分。由于其动态的应用环境,电子弹性体承受连续的负载,可能会遭受机械故障和损坏。解决该问题的一种潜在方法是赋予电子弹性体自愈合的特性,但大多数自愈合弹性体的愈合过程需要加热、激光等对人体不友好的外界刺激,自愈合速度慢,无法满足实际需求。此外,由于生物集成电子器件直接与人体组织接触,因此针对自愈合弹性体的生物学设计也需要特别关注。据此,纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)游正伟教授团队研制了新型生物友好型超快自愈合弹性体,由其构建的生物集成电子器件有效解决了上述问题,显示了良好的应用前景。相关成果近日以《肽聚糖启迪的用于生物集成电子器件的生物友好型快速自发自愈合弹性体》(Peptidoglycan-inspired autonomous ultrafast self-healing bio-friendly elastomers for bio-integrated electronics)为题,发表于中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《国家科学评论》(National Science Review)。我校材料学院博士生张璐之为论文第一作者,硕士毕业生梁嘉辉是共同第一作者,游正伟教授为通讯作者,管清宝副研究员为共同作者。本工作和上海交通大学医学院附属瑞金医院叶晓峰副教授团队合作完成。

肽聚糖是大多数细菌细胞壁的主要成分,在维持细胞壁的机械强度和结构完整性方面起着至关重要作用。肽聚糖功能的实现源自其独特的三维网络,该网络由交替的杂多糖(N-乙酰氨基葡糖和N-乙酰氨基甲酸)主链和广泛分布的肽侧链构成。据此,作者设计了一种仿肽聚糖结构的交替聚酯-聚氨酯杂化交联弹性体——聚(癸二酰基己二氨基甲酸甘油二酯)(PSeHCD)(图1)。其中,合成PSeHCD的关键是游正伟教授先前发展的酸诱导环氧开环聚合方法(Biomaterials 2010, 31, 3129-3138;Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2812-2820)。PSeHCD的每个重复单元有两个部分:酯基和氨基甲酸酯基。交替的酯基确保其降解性;交替的氨基甲酸酯基团构建了均匀分布的氢键动态交联网络,赋予其优良的自愈合性能。PSeHCD侧链上有大量自由的羟基,有利于与组织结合,并能方便实现后续材料的功能化,以及与羧酸发生酯化交联反应,材料的力学性能可以通过简单的控制固化时间来调节。PSeHCD规整的分子结构使其末端的羧酸基团保持在较低数量,从而有效控制了交联度,确保了良好的加工性。此外,通过选择生物相容性优良的六亚甲基二氨基甲酸酯和癸二酸甘油酯作为结构单元,确保了良好的生物相容性。

 

图1 PSeHCD的设计 

基于以上设计策略,PSeHCD弹性体显示出了优异的性能(图2),具有良好的弹性,方便的力学可调性,易于加工。PSeHCD薄膜划伤后,室温下2分钟内可基本完全愈合。同时,PSeHCD还展现出良好的生物相容性和降解性。

 

图2 PSeHCD弹性体的性能表征

利用上述PSeHCD弹性体,作者构建了多种生物集成电子,并展现了其优良性能(图3)。PSeHCD弹性体与液态金属复合构筑的可拉伸自愈合导体,在完全切断后,室温下轻轻对接,21秒后即重新愈合为可拉伸的导体,愈合速度快于以往报道的室温自发自愈合可拉伸导体。进而作者将PSeHCD弹性体与聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)复合,构筑了全聚合物的可拉伸自愈合传感器,可以用于检测人体的运动。

图3 PSeHCD弹性体在生物集成电子器件中的应用

该工作设计了具有独特的酯基-氨基甲酸酯基交替结构的杂化交联PSeHCD弹性体,这一仿肽聚糖结构赋予了其超快的自发自愈合性,同时还具有良好的生物相容性和降解性、可调的力学性能和方便的加工性。作者证明了PSeHCD弹性体在生物集成电子中的潜在应用。同时PSeHCD的合成方法简单,通用性强,易于扩展,这项工作中的设计原理和合成策略将启发一系列用于可拉伸电子,软机器人和生物医学工程等领域的新型友好型智能材料。该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa154

撰写:梁嘉辉