最新AM：可呼吸，可降温，自粘附，无炎性的可穿戴生物气凝胶电子皮肤

通过设计模仿人体皮肤特性和敏感性的新型电子皮肤( E-Skin )平台，可以显著提高人体健康的实时监测。一个能够同时监测多种生理和代谢生物标志物而不引入皮肤不适或刺激的高质量E - Skin平台在医疗需求领域具有极大的应用潜力。传统的电子皮肤要么是单功能的，要么是由弹性薄膜制成的，这些薄膜不包括天然皮肤的关键协同特性，如多传感、透气性和热管理能力。

为了解决这些问题，洛杉矶寺崎生医创新研究所的团队开发了一种基于柔性明胶甲基丙烯酰基气凝胶( FGA )的具有生物相容性和可生物降解的电子皮肤贴片，用于无创和连续监测多个目标标志物。利用低温处理和缓慢聚合的优势，FGA具有高度互连的多孔结构，表现出良好的柔韧性、被动冷却能力和超轻的特性。它还为热湿传递提供了众多可渗透的毛细管通道，保证了其优异的透气性。因此，基于FGA的E -Skin可以通过电生理传感器同时监测体温、水化和生物电位，并通过电化学传感器检测葡萄糖、乳酸和酒精水平。相关论文以“A Breathable, Passive-Cooling, Non-Inflammatory, and Biodegradable Aerogel Electronic Skin for Wearable Physical-Electrophysiological-Chemical Analysis”为题发表在Advanced Materials。

图1FGA电子皮肤的制备和结构

FGA电子皮肤的制备和结构

基于FGA的电子皮肤的3D多孔结构使其具有出色的透气性。空气和水分很容易通过相互连通的毛细管微通道来平衡人体皮肤与外界环境之间微环境的热湿平衡(图1b)。图1c简要说明了基于FGA的E - skin的多模态传感功能，包括皮肤阻抗/水合传感器、温度传感器、生物电位和电化学传感器。图1d为制备的FGA电子皮肤在花朵上的数码照片，表明其超轻(≈200 mg )和极低密度(≈0.03 g cm-3)。图1e显示了基于FGA的E – Skin贴片在皮肤上的适形能力。

柔性气凝胶的机械性质

作者研究FGAs的孔隙率≈69 %，是BGAs的2.5倍(图2d )。这种高度均匀的FGAs孔隙连通性支持气凝胶变形后的完全形状恢复，而传统的气凝胶（BGA）在高应变下发生断裂，无法保留其原有的结构。在机械变形过程中，FGAs的结构保持也归因于小的孔径，这可以增强整个气凝胶中增加的孔隙密度，并提供结构支持来维持骨架。由应力-应变曲线斜率计算得到的FGAs弹性模量明显高于BGAs (图2f )。FGAs优异的机械性能是这种高度多孔结构和自组织介导的物理交联的结果，它们在低温下提高了聚合物网络(即氢键作用)的结晶度。

此外，FGAs优异的吸水性，BGAs吸收的水比FGAs少约50 %，并且在30 min内达到平衡，比FGAs缓慢(图S23，P < 0.05 )。值得注意的是，在吸水后，FGAs的原始尺寸和结构没有明显的变化，这表明FGAs具有优异的抗溶胀性能，这对于E -Skin的应用至关重要。

图2.FGA电子皮肤的机械性能

此外作者测试了气凝胶在极端条件下的力学性能。结果表明将这种FGA折叠并展开后，电极仍保持导电性，如图2m所示。这是因为印刷在该FGA基板上的软导电油墨在折叠和展开过程中保持导电，并发生形变以承受所施加的应力。

FGA电子皮肤的实际应用

作者进一步证明了制备出的气凝胶具有较好的生物相容性，通过细菌培养得知FGAs对细胞的代谢活性没有影响。在对FGA电子皮肤进行了超过30天的体外生物降解研究，结果表明，经过20天的培养，整体降解和水解，重量损失近60 % (图3cII )。此外，经过30天的降解期，FGA基E-skin几乎减少了至少80 %的原始重量，表明其具有优异的生物可降解性。同时FGAs还具有较好的降温能力。

图3FGA电子皮肤的生物相容性

图4FGA电子皮肤的实际应用测试

FGA电子皮肤的实际应用测试

最后作者验证了E - skin在现实场景中的表现，即受试者进行各种活动或暴露于可能对身体的物理、生理和/或代谢反应产生竞争影响的多种刺激（图4）。E - skin被研究用于跟踪物理和生理信号，以及对暴露于不同刺激的受试者进行多重生化监测。测试结果表明，基于FGA的电子皮肤能够检测和跟踪日常活动，包括同时摄入食物和酒，作为能量库产生葡萄糖的食物和酒的消化，以及血液中酒精的积累。同时监测酒精和葡萄糖有助于区分适度饮酒和过度饮酒，有助于预防饮酒相关事件，特别是对于那些有潜在健康问题的人。

总结：这项工作提供了一种先前尚未探索的方法进行E-skin的制备，在生物器件领域具有极大的应用潜力。

--纤维素推荐--

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！