南京大学薛斌、曹毅、王炜等《自然·通讯》：水凝胶传感器动态保水新策略

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。

为解决上述问题，南京大学薛斌、曹毅、王炜等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，在48小时的静态条件和30000次动态负载循环中，分别保持了49.3%和47.3%的水分。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，其电阻变化在10个变温周期以及48h循环监测人体动作中保持稳定，基线偏移率低于8%。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。

【自适应性脂质整合涂层ALIBC】

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。作者选用两种凝胶-液态转变温度在室温左右的脂质（DMPC与HSPC）作为嵌入长链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。此外，备用脂质以聚集体的形式储存在水凝胶中，这些脂质可以迁移到应变下凝胶表面脂质层的裂缝中，从而确保在动态条件下有效保持水分。

图1 自适应脂质整合涂层（ALIBC）及其保水机制示意图。

【ALIBC在凝胶表面的微观结构以及内部磷脂迁移】

作者通过对不同水凝胶表面进行共聚焦拉曼化学成像，观察到ALIBC类似细胞膜的流动镶嵌结构。光脱色荧光恢复实验（FRAP）印证了凝胶表面磷脂的流动性受疏水锚定剂分子的影响。为了直接观察内部和表面脂质的动态迁移，作者使用激光共聚焦荧光显微镜的荧光标记辅助三维重建技术来监测磷脂的分布情况，发现在应变条件下内部磷脂向表面涂层裂缝处迁移。

图2 ALIBC中的流体镶嵌结构和脂质迁移

【带有ALIBC的水凝胶的保水、力学以及长期传感性能】

作者对带有不同ALIBC的水凝胶进行了静态及动态条件下的保水性能测试。在48小时的静态条件和30000次动态负载循环中，水凝胶含水量依然分别维持在49.3%和47.3%。另外，由于DMPC和HSPC动态活性的差异，可以通过调节二者比例控制保水性能，这种策略可以调整特定应用所需的保水特性，例如在潮湿环境中促进伤口愈合，同时避免湿度过高导致溃疡恶化。在验证了保水性之后，作者探索了ALIBC对水凝胶机械性能的影响。以往的研究表明，由于内部交联保水层和水凝胶的机械性能不匹配，会不可避免地影响水凝胶的延展性和模量，而带有ALIBC的水凝胶由于其疏水分子是以线性长链结构键合于凝胶表面，并且磷脂层以非共价键的形式嵌入，因此不会受到影响。作者最后验证了其在长期动态传感测试中的稳定性，在48小时内，带有ALIBC的水凝胶传感器在手指和肘部弯曲/伸直时显示出一致且可分辨的传感信号，并且基线偏差小于8%，对比对照组有显著提升。

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

总结：作者从细胞膜的流体镶嵌模型中汲取灵感，开发出一种通用的水凝胶保水策略，同时又不影响其固有的拉伸性、导电性和生物相容性，而这一点在传统方法中往往被忽视。更重要的是，即使在长时间的动态加载循环下，水凝胶内部脂质的迁移也能可逆地修复保水层裂缝，从而维持水凝胶的保水性。这确保了水凝胶传感器在动态条件下的长期稳定的传感能力。

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

来源：高分子科学前沿

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