西南交通大學魯雄教授團隊AFM：二維導電納米纖維素自組裝構建具有生物穩定性的導電水凝膠用于柔性電子器件

背景介紹

柔性、導電性、生物相容性和生物穩定性是植入式生物柔性電子器件需具備的關鍵性能。尤其是在復雜的體液生理環境中，電子器件的生物穩定性是至關重要的。納米纖維素因其豐富的來源，可再生性以及在水環境中卓越的化學和機械穩定性，被認為是構建具有濕穩定和堅固機械性能的理想生物基納米材料。然而，纖維素是不導電的，無法直接用于制備生物電子器件。開發一種具有導電性的納米纖維素材料，是下一代生物電子器件發展的迫切需求。

成果簡介

近日，西南交通大學魯雄教授課題組與中國海洋大學韓璐教授提出了采用導電的聚多巴胺還原氧化石墨烯（PGO）納米片用于插層纖維素微晶及誘導II型纖維素在其表面原位再生的策略將絕緣的微晶纖維素轉化為二維導電納米纖維素（PGC bio-nanosheets），并以此為基礎結構單元組裝制備了具有良好柔性、導電性、生物穩定性、及細胞/組織親和性的導電纖維素基水凝膠。

該研究成果以“Conductive cellulose bio-nanosheets assembled biostable hydrogel for reliable bioelectronics?”為題在線發表于《Advanced?Functional Materials》。論文第一作者為西南交通大學在讀博士研究生閆力維。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金等項目支持。

圖文導讀

圖1?二維導電纖維素納米片的制備及其組裝形成具有生物穩定性的三維導電水凝膠。

（a）采用PGO納米片首先輔助微晶纖維素在NaOH/urea溶液中剝離成納米纖維素，并作為模板固定剝離的納米纖維素形成CNFs-PGO復合物；在再生過程中，富含酚羥基的親水性的PGO又可作為模板原位引導纖維素分子鏈在其表面有序排列形成纖維素-PGO雜化納米片(PGC bio-nanosheets)。

（b）PGC通過物理自組裝形成三維網絡結構，然后通過ECH化學交聯形成穩定性良好的PGCNSH水凝膠。

（c）生物穩定的導電PGCNSH凝膠作為生物柔性電子設備在含水環境中監測人體健康。

圖2?PGO模板引導纖維素在其表面原位再生從而形成PGC 納米片。

（a）PGO納米片，CNFs-PGO復合物及PGC納米片的TEM圖像。

（b）PGC納米片AFM圖像及厚度。

（c）XRD圖譜表征在PGC生物納米片形成過程中其中的纖維素晶體的結構變化。

（d）PGC納米片FT-IR圖像。

（e-f）PGC納米片的彈性模量及電導率。

（g）?PGO模板指導纖維素在其表面原位再生過程的示意圖。

圖3?具有生物穩定的PGCNSH凝膠的形成過程及性能表征。

（a）PGC納米片首先通過物理作用自組裝形成果凍狀的物理凝膠，經環氧氯丙烷化學交聯后形成自支撐的三維水凝膠（PGCNSH）。

（b）PGC形成的物理凝膠及PGCNSH水凝膠的流變學行為比較。

（c）PGCNSH水凝膠冷凍干燥后的SEM截面圖。

（d）不同條件制備的纖維素水凝膠力學性能比較。

（e）PGCNSH凝膠在去離子水及PBS溶液下均具有良好的生物穩定性。

（f）在PBS中浸泡30天后，PGCNSH水凝膠依然保持穩定的力學性能。

圖4?生物穩定的PGCNSH凝膠的電學性能及其作為表皮和植入式生物電子器件的應用。

（a）PGCNSH凝膠生物穩定的電導率。

（b）PGCNSH凝膠集成電路在水下點亮LED燈照片。

（c）PGCNSH凝膠經PBS浸泡后的電化學阻抗。

（d）PGCNSH凝膠經PBS浸泡后的應變靈敏度與壓縮應變的關系。

（e）PGCNSH凝膠基應變傳感器用于水下手指彎曲度測量。

（f）PGCNSH凝膠基應變傳感器用于肌電信號測量。

（g）PGCNSH凝膠集成的無線心率傳感裝置用于收集游泳前后的心電信號。

（h）PGCNSH水凝膠植入兔子背部肌肉用于體外生物穩定性測試。

（i）水凝膠植入前與植入30天后凝膠的壓縮強度與電導率變化。

（g）PGCNSH凝膠的體內生物相容性評價。

（k）PGCNSH凝膠植入兔子背部肌肉用于肌電信號檢測。

圖5 具有生物穩定性和細胞親和性導電性的PGCNSH凝膠與外加電場作用協同調控細胞行為及促進糖尿病傷口的修復。

（a）采用高通量電刺激裝置用于調控C2C12細胞在水凝膠表面的細胞行為的示意圖。

（b）C2C12細胞在水凝膠上培養3天后的活死染色熒光圖像。

（c）C2C12細胞在凝膠上培養3天后的總蛋白含量表達。

（d）C2C12細胞在凝膠上培養3天后的黏著斑免疫熒光圖像。

（e）C2C12細胞在凝膠上培養4天后微管形成的熒光圖像。

（f）微管組織的放大圖像。

（g）PGCNSH凝膠用于治療糖尿病創面的實驗裝置示意圖（左）和照片（右）。

（h）電療下和非電療下凝膠處理后的傷口圖像。

（i-j）傷口閉合率及肉芽組織間隙定量分析。

（k-l）28天后傷口切片的Masson染色圖像及α-SMA免疫熒光染色圖像。

小結

作者通過采用多巴胺還原氧化石墨烯（PGO）誘導纖維素原位再生的策略將絕緣的天然微晶纖維素轉化為導電PGC納米片。這種新型的導電納米片可作為新型納米電子器件的基本結構單元，用于構建各種高性能的纖維素衍生導電材料拓展纖維素在生物電子學領域的應用。在本研究中，作者采用自下而上的設計策略將二維導電PGC納米片組裝成生物穩定的三維導電水凝膠。該水凝膠具備良好的生物穩定性，在水環境中的植入式和柔性電子器件應用中具有重要優勢。此外，該導電水凝膠具有良好的細胞/組織親和力，可以與外加電場協同，將電信號傳遞給細胞和組織，從而起到“電子皮膚”的作用，并通過電療促進糖尿病創面的愈合。這項研究為電子和機械能穩定的纖維素衍生生物材料在智能響應性治療及生理環境下的生物電子保健裝置應用方面的開發奠定了基礎。

文獻鏈接：Conductive cellulose bio-nanosheets assembled biostable hydrogel for reliable?bioelectronics,?https://doi.org/10.1002/adfm.202010465

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