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為了解決這些問(wèn)題，洛杉磯寺崎生醫(yī)創(chuàng)新研究所的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于柔性明膠甲基丙烯酰基氣凝膠( FGA )的具有生物相容性和可生物降解的電子皮膚貼片，用于無(wú)創(chuàng)和連續(xù)監(jiān)測(cè)多個(gè)目標(biāo)標(biāo)志物。利用低溫處理和緩慢聚合的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)GA具有高度互連的多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的柔韌性、被動(dòng)冷卻能力和超輕的特性。

它還為熱濕傳遞提供了眾多可滲透的毛細(xì)管通道，保證了其優(yōu)異的透氣性。因此，基于FGA的E -Skin可以通過(guò)電生理傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)體溫、水化和生物電位，并通過(guò)電化學(xué)傳感器檢測(cè)葡萄糖、乳酸和酒精水平。相關(guān)論文以“A Breathable, Passive-Cooling, Non-Inflammatory, and Biodegradable Aerogel Electronic Skin for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis”為題發(fā)表在Advanced Materials。

圖1 FGA電子皮膚的制備和結(jié)構(gòu)

FGA電子皮膚的制備和結(jié)構(gòu)

基于FGA的電子皮膚的3D多孔結(jié)構(gòu)使其具有出色的透氣性。空氣和水分很容易通過(guò)相互連通的毛細(xì)管微通道來(lái)平衡人體皮膚與外界環(huán)境之間微環(huán)境的熱濕平衡(圖1b)。圖1c簡(jiǎn)要說(shuō)明了基于FGA的E - skin的多模態(tài)傳感功能，包括皮膚阻抗/水合傳感器、溫度傳感器、生物電位和電化學(xué)傳感器。圖1d為制備的FGA電子皮膚在花朵上的數(shù)碼照片，表明其超輕(≈200 mg )和極低密度(≈0.03 g cm-3)。圖1e顯示了基于FGA的E – Skin貼片在皮膚上的適形能力。

柔性氣凝膠的機(jī)械性質(zhì)

作者研究FGAs的孔隙率≈69 %，是BGAs的2.5倍(圖2d )。這種高度均勻的FGAs孔隙連通性支持氣凝膠變形后的完全形狀恢復(fù)，而傳統(tǒng)的氣凝膠（BGA）在高應(yīng)變下發(fā)生斷裂，無(wú)法保留其原有的結(jié)構(gòu)。在機(jī)械變形過(guò)程中，F(xiàn)GAs的結(jié)構(gòu)保持也歸因于小的孔徑，這可以增強(qiáng)整個(gè)氣凝膠中增加的孔隙密度，并提供結(jié)構(gòu)支持來(lái)維持骨架。由應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率計(jì)算得到的FGAs彈性模量明顯高于BGAs (圖2f )。FGAs優(yōu)異的機(jī)械性能是這種高度多孔結(jié)構(gòu)和自組織介導(dǎo)的物理交聯(lián)的結(jié)果，它們?cè)诘蜏叵绿岣吡司酆衔锞W(wǎng)絡(luò)(即氫鍵作用)的結(jié)晶度。

此外，F(xiàn)GAs優(yōu)異的吸水性，BGAs吸收的水比FGAs少約50 %，并且在30 min內(nèi)達(dá)到平衡，比FGAs緩慢(圖S23，P < 0.05 )。值得注意的是，在吸水后，F(xiàn)GAs的原始尺寸和結(jié)構(gòu)沒有明顯的變化，這表明FGAs具有優(yōu)異的抗溶脹性能，這對(duì)于E -Skin的應(yīng)用至關(guān)重要。

圖2. FGA電子皮膚的機(jī)械性能

此外作者測(cè)試了氣凝膠在極端條件下的力學(xué)性能。結(jié)果表明將這種FGA折疊并展開后，電極仍保持導(dǎo)電性，如圖2m所示。這是因?yàn)橛∷⒃谠揊GA基板上的軟導(dǎo)電油墨在折疊和展開過(guò)程中保持導(dǎo)電，并發(fā)生形變以承受所施加的應(yīng)力。

FGA電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用

作者進(jìn)一步證明了制備出的氣凝膠具有較好的生物相容性，通過(guò)細(xì)菌培養(yǎng)得知FGAs對(duì)細(xì)胞的代謝活性沒有影響。在對(duì)FGA電子皮膚進(jìn)行了超過(guò)30天的體外生物降解研究，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)20天的培養(yǎng)，整體降解和水解，重量損失近60 % (圖3cII )。此外，經(jīng)過(guò)30天的降解期，F(xiàn)GA基E-skin幾乎減少了至少80 %的原始重量，表明其具有優(yōu)異的生物可降解性。同時(shí)FGAs還具有較好的降溫能力。

圖3 FGA電子皮膚的生物相容性

圖4 FGA電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

FGA電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

最后作者驗(yàn)證了E - skin在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的表現(xiàn)，即受試者進(jìn)行各種活動(dòng)或暴露于可能對(duì)身體的物理、生理和/或代謝反應(yīng)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)影響的多種刺激（圖4）。E - skin被研究用于跟蹤物理和生理信號(hào)，以及對(duì)暴露于不同刺激的受試者進(jìn)行多重生化監(jiān)測(cè)。

測(cè)試結(jié)果表明，基于FGA的電子皮膚能夠檢測(cè)和跟蹤日常活動(dòng)，包括同時(shí)攝入食物和酒，作為能量庫(kù)產(chǎn)生葡萄糖的食物和酒的消化，以及血液中酒精的積累。同時(shí)監(jiān)測(cè)酒精和葡萄糖有助于區(qū)分適度飲酒和過(guò)度飲酒，有助于預(yù)防飲酒相關(guān)事件，特別是對(duì)于那些有潛在健康問(wèn)題的人。

總結(jié)：這項(xiàng)工作提供了一種先前尚未探索的方法進(jìn)行E-skin的制備，在生物器件領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。