《Nature》之后，MIT赵选贺团队《Nat.Mater.》再突破：生物电子学粘附界面

高分子科学前沿 2020-09-30 06:30

作者|高分子科学前沿来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

生物粘合剂作为缝线和缝合钉的替代品，具有使用方便、密封性或防水性以及组织损伤最小等潜在优势。然而，目前商业化的生物粘合剂都存在着一些局限性，如粘附形成缓慢、结合力弱、生物相容性低、与组织的机械匹配性差以及缺乏可触发的良性脱离等。为了应对上述挑战，2019年，麻省理工学院赵选贺课题组师法自然，向贻贝等动物学习，通过去除湿润组织界面之间的水分子而形成强力黏附，制备了一种双面胶DST（dry double-sided， DST）, 相关论文以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices”为题，发表在《Nature》。（MIT赵选贺团队再发《Nature》！首创人体双面胶，5秒粘合伤口）

今年6月，赵选贺团队在去年工作的基础上，又开发出一种基于氢键与动态共价键等超分子作用力，设计制备出超强生物胶水，该材料不仅可以在潮湿的组织表面瞬间发生强粘附作用，更重要的是，它还可以在特定的外界环境刺激下，实现按需脱粘附。相关论文以“Instant tough bioadhesive with triggerable benign detachment”为题发表在《PNAS》(MIT赵选贺团队《PNAS》：超强手术胶带，可按需拆卸！有望替代手术缝合线)。

今天，MIT赵选贺团队与南方科技大学郭传飞团队合作，报道了一种基于薄层石墨烯纳米复合材料的电子-生物粘合（e-生物粘合）界面，它可以实现生物电子器件在不同的潮湿动态组织上提供快速（5秒内形成粘附）、坚固（界面韧性>400 J m-2）且可按需拆卸的集成。界面处的高导电性（>2.6 S m-1）为双向的生物电子通信提供了可能。基于猪的体外模型和大鼠的体内模型，作者还演示了这种电子-生物粘合界面的生物相容性、适用性、机械和电稳定性、记录和刺激功能。该研究推动了组织设备的集成，提了生物集成电子设备的性能，并以题为“Electrical bioadhesive interface for bioelectronics”的论文发表在最新一期的《Nature Materials》上。

【电子生物粘合剂的设计理念】

作者将氧化石墨烯掺杂进PVA中制备了一种石墨烯纳米复合水凝胶薄层。随后与接枝N-羟基琥珀酰亚胺酯的聚丙烯酸（PAA-NHS ester）交联网络互穿，提供了生物粘附能力。而生物电子器件的表面由伯胺基团功能化，以促进与电子生物胶粘剂界面的共价交联粘附。再通过使用触发溶液从目标组织中良性地去除电子生物粘附界面，实现按需和无创伤地收回植入的生物电子设备（图1）。

· 物理粘附：羧酸根可以迅速吸收和去除界面水，在柔和的压力下（〜1 kPa）与组织表面形成物理交联粘附，用时仅需5秒；

· 共价粘附：N-羟基琥珀酰亚胺酯可进一步与组织表面上的伯胺基形成共价交联粘附，从而在潮湿和动态生理环境中提供生物电子设备的长期稳定整合；

· 无创脱粘附：使用生物相容性水触发溶液（0.5M碳酸氢钠和50mM L-谷胱甘肽的PBS溶液），5分钟内从组织上按需和无创地去除粘附的生物电子设备。

【优异的机械特性和生物兼容性】

rGO对于电子生物粘附界面的各向异性溶胀至关重要：粘合时，干燥的电子-生物粘合界面吸水膨胀，厚度明显增加（3.6倍），而长度和宽度仍然能保持在初始值的1.1倍以下。这主要是rGO-PVA微观结构对粘合界面沿平面方向的膨胀的限制作用，实现了各向异性膨胀。相比之下，没有rGO时，近乎各向同性溶胀。各向异性溶胀可以使潜在的几何不匹配、生物电子产生的变形或分层最小化。膨胀后的电子-生物粘合界面表现出类组织的高水含量（约85%），且柔性（杨氏模量293 kPa）、可拉伸性（>2）和高韧性（断裂韧性为1126 J m-2）都十分优异。此外，电子-生物粘附界面在不同的生物组织和衬底材料表面都拥有优异的界面韧性和剪切强度。

【对各种湿组织、材料均有效】

为了评估电子生物粘附界面的粘附性能，界面韧性（180°剥离测试，ASTM F2256）和剪切强度（搭接剪切测试，ASTM F2255）用于评估带有聚酰亚胺背衬的e-生物粘附界面对各种湿组织和材料的粘附性能。

e-生物粘附界面能够和组织形成快速和牢固的粘附力：

界面韧性：心脏>420Jm−2；皮肤>270Jm−2；肌肉>230Jm−2；坐骨神经>260m−2）

剪切强度：心脏>110kPa；皮肤>60kPa；肌肉>50kPa；坐骨神经>70kPa

相比之下，物理附着在心脏上的聚酰亚胺界面韧性和剪切强度分别只有1.55Jm−2和0.21kPa，在皮肤上的界面韧性和剪切强度分别只有0.34Jm−2和0.19kPa

此外，e-生物粘附界面能够对各种材料产生强的粘附性能：

高界面韧性：硅>250 J m−2；金>190 J m−2；聚二甲基硅氧烷（PDMS）>200 J m−2；聚碳酸酯（PC）>90Jm−2：

高剪切强度：硅>60kPa；金>50kPa；PC>40kPa；PDMS>60kPa

【电学性能】

为了在保持界面高水含量，柔韧性，各向异性溶胀和快速牢固粘合的能力的同时，提升其电学性能，作者将GO还原为rGO。从而保证了界面在102–105 Hz的生理相关频率下显示出<50 Ω极低阻抗（<50Ω）。此外，该界面的电荷注入能力媲美金属，具有超高的稳定性，并能在拉伸变形过程中表现出可忽略不计的阻抗滞后。