南京大学薛斌/曹毅/王炜团队 Nat. Commun.: 仿生自适应脂质层增强水凝胶传感器动态保水能力

2024-12-05 来源：高分子科技

近年来，基于水凝胶的柔性传感器在医用器材和智能机器人等领域有着广泛的应用，但其性能常因水分的快速蒸发而受到影响，导致传感灵敏度和机械耐久度的下降。尽管各研究团队取得了显著的进展，如引入有机溶剂、电解质和弹性体复合材料，但仍存在导电性下降、界面错位以及动态条件下对凝胶内部水分保护不足的问题。

图1 自适应脂质整合涂层（ALIBC）及其保水机制示意图。

为解决上述问题，南京大学薛斌/曹毅/王炜团队受到细胞膜结构的启发，开发了一种自适应性脂质整合涂层（ALIBC），以增强水凝胶传感器的保水性。脂质层和长链两亲性分子作为致密嵌入涂层和锚定剂，模仿细胞膜中的脂质和膜蛋白的作用，同时水凝胶内的备用脂质可以迁移至表面，防止动态条件下的脱水。该涂层能够有效防止水凝胶在静态和动态状态下的水分蒸发，同时不影响其固有的柔性、导电性和细胞相容性。带有ALIBC的水凝胶传感器在长期动态传感条件下表现出显著的性能提升。这项工作为精确控制水凝胶基传感器的保水性而不影响其本征特性提供了一种通用方法。该工作以“Bioinspired Adaptive Lipid-Integrated Bilayer Coating for Enhancing Dynamic Water Retention in Hydrogel-Based Flexible Sensors”为题发表在《Nature Communications》上。文章第一作者为南京大学博士生柏鸣，通讯作者为南京大学薛斌副教授，曹毅教授和王炜教授。该研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划和等项目的支持。

图2 ALIBC中的流体镶嵌结构和脂质迁移。

图3 带有ALIBC的水凝胶在静态和动态条件下的保水性

图4 带有不同ALIBC涂层的水凝胶的力学特性

图5 ALIBC水凝胶基传感器的长期传感性能

借鉴细胞膜流体镶嵌模型的理念，作者提出了一种通用的水凝胶保水策略，该策略能够在不损害其固有机械性能、导电性和生物相容性的前提下，显著提升水凝胶在静态和动态下的保水能力。具体而言，作者在水凝胶表面引入了共价键合的疏水UA分子，形成初步的保水层，并作为后续脂质双分子层的锚定结构。嵌入长链UA的动态脂质分子进一步构建自适应型脂质整合涂层（ALIBC），从而增强了水凝胶保水性。通过对不同水凝胶表面进行激光共聚焦拉曼成像，观察到类似细胞膜的流体镶嵌型结构。作者对水凝胶表面以及内部磷脂进行荧光标记，应变下凝胶内部可以观察到磷脂的动态迁移，因此即使在长期的动态循环中，水凝胶的保水性能也能通过内部备用脂质的迁移实现自修复，在48小时的静态条件和动态负载循环中，分别保持了49.3%和47.3%的水分，确保了基于ALIBC的水凝胶传感器在动态条件下的长期稳定性。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54879-7#Sec18

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（责任编辑：xu）

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