《自然·通讯》南京大学王炜：自适应脂质整合双层涂层用于增强基于水凝胶的柔性传感器中的动态保水性

文章摘要

虽然基于水凝胶的柔性传感器在医学和机器人等领域得到了广泛的应用，但它们的性能可能会受到水分快速蒸发的阻碍，从而导致灵敏度和机械耐久性降低。尽管探索了一些有效的解决方案，例如引入有机溶剂、电解质和弹性体复合材料，但这些方法仍然存在电导率降低、界面错位和动态条件下保护不足等问题。

受细胞膜结构的启发，作者开发了一种自适应脂质集成双层涂层（ALIBC），以增强水凝胶传感器的保水性。脂质层和长链两亲分子被用作水凝胶表面的致密涂层和锚定剂，模仿细胞膜中的脂质和膜蛋白的作用，而水凝胶内部聚集的多余脂质可以迁移到表面，以对抗变形时的脱水。这种脂质集成双层涂层可以防止水凝胶在静态和动态状态下的水分蒸发，而不会影响其固有的柔韧性、导电性和细胞毒性。基于ALIBC的水凝胶传感器在体温、大变形和长期动态传感条件下的性能显著提高。这项工作提出了一种精确控制水凝胶和基于水凝胶的传感器的保水性而不影响其固有物理性质的一般方法。

背景介绍

柔性可穿戴传感器能够检测广泛的物理和化学信号，并表现出对各种形式的适应性。这种适应性使它们在人类医学、机器人和智能材料等方面的应用非常广泛。从广义上讲，柔性传感器可分为两种类型：基于弹性体的电子传感器，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）或聚酯（PET），以及由水凝胶、离子凝胶、离子弹性体等开发的离子传感器。与传统的电子传感器相比，水凝胶的离子电导率特别适合于对生理相关信号进行先进的机械、化学和电传感。此外，它们还具有生物相容性和适应性机械顺应性，能够更好地与人体组织和器官接合。尽管有这些优点，但基于水凝胶的传感器经常受到水分快速蒸发的影响，这可能会影响它们的灵敏度还有机械性能。有两种主要策略可以解决长期失水问题：带有保水组件或集成保护层的设计。例如，用甘油、乙二醇和山梨醇等有机溶剂代替水，可以制造出具有特殊防冻和不干燥特性的有机水凝胶。然而，有机溶剂的使用可能会对水凝胶的导电性产生负面影响，限制了它们在可穿戴柔性传感器中的应用。保护层，如弹性体或复合涂层，已经显示出显著的拉伸性和保水性。然而，由于保水层与水凝胶表面之间的力学性能和界面能不匹配，内部交联保护层可能会在大变形下影响水凝胶的柔韧性和完整性。此外，栓系支撑的双分子层（如脂质膜）提供强大的抗脱水和肿胀能力。然而，变形过程中产生的动态性能和涂层裂纹不能保证在动态载荷下保持一致的保水性，尽管块状材料的物理性能不会受到显著影响。例如，在带状水凝胶中，变形后的水凝胶上表面积（S0）可能超过原始面积(S)，导致系留层出现裂缝，随后导致水凝胶脱水。因此，开发基于水凝胶的柔性传感器的保水策略仍然是一个挑战，特别是考虑到柔性水凝胶传感器经常经历动态变形（拉伸、弯曲和抽搐）。

结果与讨论

图1. 自适应脂质集成双层涂层（ALIBC）工程设计及基于ALIBC的水凝胶传感器保水性研究

先前的研究表明，通过跟踪膜蛋白和脂质分子的运动，细胞膜是动态的，细胞表面的稳定性主要取决于细胞骨架和膜蛋白之间的相互连接（图1a左侧）。这些分子作为脂质锚定剂并连接到水凝胶骨架（图1a右侧）。多余的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变形表面脂质层的裂缝中，确保在动态条件下有效保水（图1b）。以聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶为模型水凝胶基质，以一端为双键，另一端为羧基的长链疏水分子10-十一烯酸（UA）为长链两亲分子（图1c左侧），UA通过与丙烯酰胺的共聚与水凝胶网络相连。此外，两种具有不同动态活性的脂质，氢化大豆磷脂酰胆碱（HSPC）和二肉豆烯酰基磷脂酰胆碱（DMPC），被用来调整脂质层的动态特性，这可以进一步评估基于ALIBC的脂质动态对保水性能的影响（图1c右侧）。

图2. ALIBC 中的流体镶嵌结构和脂质迁移

以HSPC为脂质制备ALIBC，通过不同水凝胶表面的共聚焦拉曼化学成像研究了ALIBC的镶嵌结构（图.2a, b），PAAm水凝胶的颜色从青色转变为PAAmUA水凝胶的蓝色，表明表面几乎完全被接枝的UA分子覆盖（图2b）。此外，在PAAm-UA/脂质水凝胶表面观察到蓝色（UA）和黄色（脂质）的镶嵌状的颜色分布，表明ALIBC和细胞膜结构相似（图2b）。从拉曼图像和PAAm-UA/脂质水凝胶表面UA和脂质的等效面积比，也可以得出ALIBC中UA和脂质的空间分布是均匀的（图2c）。此外，用FRAP研究了UA对脂质流动性的影响。在加入了UA的情况下，脂质重新分配的速度要比没有UA的情况慢得多，这表明由于UA和水凝胶网络之间的相互连接，适应性脂质层的稳定性增强了（图2d、e）。

为了直接跟踪内部和表面脂质的动态迁移，使用基于激光共聚焦荧光显微镜（LCFM）的荧光标记辅助三维重建来监测它们的分布。来自内部聚集体和表面涂层的脂质分别用Dil（红色）和DiO（绿色）染料染色（图2f）。由于两亲性，内部脂质分子可以在水凝胶中形成聚集体（图2f左侧）或在水凝胶表面形成脂质涂层（图2f右侧）。当拉伸时，聚集体在变形的水凝胶网络的内应力作用下会破裂，释放出的小脂质碎片会破裂迁移到水凝胶表面，填充表面涂层的裂缝（图2g）。作者预计内部脂质要么与变形的水凝胶网络一起迁移，要么在聚合物网络机械变形引起的动态扰动下穿过水凝胶网络。这种动态负载导致聚合物链延伸，扩大了网状尺寸，促进了被困脂质聚集体的迁移。为了研究脂质向外迁移，每隔30分钟扫描拉伸下PAAm-UA/脂质水凝胶表面的相同位置（图2h）。随着时间的增加，在拉伸的水凝胶表面观察到红色的脂质，表明脂质从聚集体内部向外部迁移。拉伸过程中产生的裂缝迅速被迁移的脂质填充，如合并颜色的区域所示（图2h）。在90分钟内，表面内部聚集的迁移脂质（红色）的荧光强度和面积比分别达到~23.4%和~14.6%。此外，在拉伸下，水凝胶内部观察到表面脂质（绿色），表明脂质也可以向内迁移。这些结果证实了ALIBC的流体镶嵌结构和脂质双向迁移。

图3. ALIBC水凝胶的保水性

脱水试验（25℃和50%湿度）表明，PAAm- UA /HSPC水凝胶具有显著增强的保水性，在6小时内保持了~71.3%的重量比（标准化剩余质量），而PAAm水凝胶的重量比为~23.7%（图3a， b）。PAAm-UA/DMPC水凝胶表现出适度的保水性，因为DMPC具有较高的动力学。与不含UA的水凝胶（PAAm/DMPC和PAAm/HSPC）相比，接枝UA的水凝胶（PAAm-UA/DMPC和PAAm-UA/HSPC）的保水性提高了4.8-21.4%（图3b）。这可以归因于UA层作为锚定剂固定脂质双分子层，从而限制脂质涂层的流动性并防止水分蒸发（图2e）。为了进一步探讨脂质动力学对水凝胶保水性的影响，作者还研究了DMPC和HSPC以不同比例混合形成的ALIBC水凝胶的脱水情况（图3c）。6 h时水凝胶的重量比随着动态活度常数的增大而减小，可以很好地拟合为二次函数。这种方法可以调整特定应用所需的保水性，例如在潮湿环境中促进伤口愈合，同时避免可能加剧溃疡的湿度。在柔性传感器的实际应用中，水凝胶在变形状态下的保水性能比在静态状态下更为重要。作者评估了不同涂层的水凝胶在300%应变动态加载下48 h的保水性（图3d、e）。含有内部脂质的水凝胶在超过30,000次拉伸松弛循环后表现出动态保水性。PAAm- ua /HSPC水凝胶在48小时的循环拉伸松弛后保持完整性，而PAAm水凝胶在3小时后由于脱水而破裂（图3d）。值得注意的是，PAAm-UA/HSPC水凝胶在动态加载48小时后仍保留了初始重量的50%（图3e），这与未拉伸水凝胶的重量比相当（图3b）。尽管PAAm- UA /DMPC水凝胶的保水性能由于DMPC的高动态而下降，但与PAAm水凝胶相比，它们在动态和静态加载应变下仍表现出增强的保水性能（图3e）。这些结果验证了ALIBC水凝胶在静态和动态变形条件下的优异保水性。

图4. 含ALIBC水凝胶的力学性能

由于涂层与水凝胶的力学性能不匹配，内部交联的涂层不可避免地会影响水凝胶的拉伸性和模量（图4a顶部）。相比之下，利用脂质双分子层涂层的适应性，预计ALIBC对水凝胶的机械性能的影响可以忽略不计（图4a底部）。拉伸和压缩应力-应变曲线显示，与对照PAAm水凝胶相比，不同脂质涂层的PAAm水凝胶的断裂应变和强度都有所提高（图4b， c）。其中，PAAm- ua /HSPC水凝胶在拉伸下的断裂应变为714.5%，模量为83.4 kPa，而在压缩下的断裂应变和模量达到77.1%,98.4 kPa，略高于纯PAAm水凝胶(图4d、e)。不同水凝胶的抗拉和抗压强度也表现出与其断裂应变和模量相同的趋势，这可以在一定程度上归因于自组装的脂质充当了动态交联。

图5. 基于ALIBC的水凝胶传感器的传感性能

最后，研究了基于ALIBC的水凝胶传感器的传感性能。通过盐离子制备PAAm-UA/ HSPC水凝胶，增强其离子电导率，制备出用于温度和应变传感的基本电阻传感器（图5a）。在25°C和50%湿度条件下，监测不同涂层的水凝胶的电阻和失重情况（图5b，c）。电阻变化（ΔR/R0）与重量比的高度相关性表明，水凝胶传感器的传感性能受到含水量的显著影响。由于优异的保水性，PAAm- UA /HSPC水凝胶的电阻变化保持在10%以下，而PAAm水凝胶的电阻变化达到70%以上，这表明使用ALIBC可以提高水凝胶传感器的长期传感性能（图5b）。由于水凝胶的电阻会受到温度的影响，因此作者检测了不同温度循环下ALIBC水凝胶传感器的实时电阻变化，以验证体温耐受性（图5d）。PAAm-UA/HSPC水凝胶传感器的电阻变化保持稳定在10个可变温度循环下，基线偏差小于8%。另一方面，PAAm水凝胶（对照组）在第10个周期后出现了显著的基线偏差（~69.7%）（图5d）。由于在变形和体温下具有优异的保水性，具有ALIBC的水凝胶传感器可以可靠地长期监测空气中的循环身体运动（图5e）。PAAm- UA / HSPC水凝胶传感器在48 h内对手指和肘关节的弯曲释放表现出一致且可区分的传感信号，基线偏差小于8%（图5f，g）。与之形成鲜明对比的是，PAAm水凝胶对照组在6 h后由于含水量迅速下降，失去了柔韧性和传感能力。PAAm- UA /HSPC水凝胶仍然保持比PAAm水凝胶更好的保水性。

文章总结

总之，从细胞膜的流体镶嵌模型中汲取灵感，作者已经开发出一种通用的水凝胶保水性策略，而不会影响其固有的拉伸性、导电性和生物相容性。作者的方法需要在水凝胶网络中结合共价键的疏水UA分子，形成初始的保水层，并作为后续脂质双分子层的锚点。嵌入在长链UA中的动态脂质形成自适应脂质整合双层涂层（ALIBC），进一步增强了水凝胶的保水能力。关键是，与大多数传统的保水性方法不同，脂质整合双分子层是非内部交联的和自适应的，允许有效的保水性而不影响拉伸性、导电性和生物相容性。作者的方法平衡了水潴留，同时保留了散装水凝胶的固有特性，这在传统的水凝胶中经常被忽视方法。更重要的是，即使在长时间的动态加载周期下，水凝胶的保水性也可以通过内部脂质的迁移来修复裂缝。这确保了基于水凝胶的传感器在动态条件下的持续传感能力。这一方法为水凝胶保水处理提供了前景，并显著扩展了基于水凝胶的传感器在柔性电子领域的应用范围。

文章信息

Bai M, Chen Y, Zhu L, et al. Bioinspired adaptive lipid-integrated bilayer coating for enhancing dynamic water retention in hydrogel-based flexible sensors.

Nat. Commun.

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来源：超分子光化学与自组装