南方医科大学：一种高度可拉伸的水凝胶，可精确检测心肌梗死！

Original 材料科学与工程材料科学与工程 2023-04-30

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在生理学上，机械电信号提供了巨大的生理和病理体征以及愈合管理效用的信息反馈;然而，它们只能通过有限和繁琐的方法检测到。例如，心电图（ECG）信号代表了心肌梗塞（MI）的电生理特征，心肌梗塞是全球最主要的死亡原因之一。近年来，生物材料科学和软生物电子系统的进步使得精确监测各种心脏信号成为可能和可访问，因为它们具有高应变/应力传感能力和生物力学顺应性。特别是，受皮肤启发的应变软传感器因其强大的机械变形传感性能、简单的设备配置和简单的机械-电转导能力而受到越来越多的关注。尽管取得了这些进展，但仍有未解决的挑战。

来自南方医科大学的学者报道了一种基于高拉伸弹性离子导电水凝胶的仿生皱纹增强自适应纳米粘土互锁软应变传感器。由于纳米粘土交联和纳米增强互穿网络的结构-机械-电气完整性，这种新型纳米粘土复合水凝胶表现出优异的拉伸性能和高传感能力，具有稳定可靠的传感性能。两亲性离子的掺入为水凝胶提供了显着的蛋白质抗性，减少了其在植入时对蛋白质的非特异性吸附，提高了其作为植入装置的生物安全性，并保持了传感结果的真实性。基于所揭示的基于分层有序结构的传感增强机制作为概念验证应用，该水凝胶传感器被证明能够准确定位发生心肌梗死的区域，并可能成为实时监测心脏病病理变化的新策略。相关文章以“Highly Stretchable and Biocompatible Wrinkled Nanoclay-Composite Hydrogel With Enhanced Sensing Capability for Precise Detection of Myocardial Infarction”标题发表在Advanced Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202209497

图1.A）纳米复合水凝胶的合成方案。B）由指纹的表面图案和内部纳米结构吸入的皱褶纳米复合水凝胶示意图。C）扁平和皱褶的SPE₂NC_2.5 水凝胶的XRD 图谱。D）扁平和起皱的 SPE₂NC_2.5水凝胶的 SEM 图像。E）SPE₂NC_2.5水凝胶的透射电镜图像。F）通过扁平水凝胶和皱巴巴的SPE₂NC_2.5水凝胶检测正常大鼠心脏的信号。 G） SPE₂NC_2.5 皱水凝胶作为应变传感器，用于检测人体不同位置的运动。

图2.纳米复合水凝胶的机械和导电性表征。A）SPE₂NC_2.5纳米复合水凝胶的结，拉伸和释放过程的照片。B）具有拉伸应变的水凝胶中聚合物链和纳米粘土片的变化示意图。 C）不同纳米粘土含量的水凝胶的拉伸应力-应变曲线。D）压缩不同纳米粘土含量的水凝胶的应力-应变曲线。E）压缩和释放下的纳米复合水凝胶的照片。F，G，H）不同纳米黏土含量水凝胶的力学参数，包括弹性模量、断裂应变和韧性。I）SPE₂NC_2.5水凝胶连续5000次压缩循环的载荷循环曲线。插图是 1–10、2500–2510 和 4990–5000周期内的放大信号。J）不同纳米粘土含量的水凝胶的电导率。

图3.SPE₂NC_2.5皱水凝胶作为用于肢体运动监测的可穿戴应变传感器。SPE₂NC_2.5褶皱水凝胶用作传感器，用于监测志愿者的 A）肘部、B）手腕、C）肘部和 D）膝盖的反复弯曲。E）阻力变化响应不同短语的发音：“ni hao”，“Hi”和“Hello”。F）SPE₂NC_2.5皱水凝胶粘附在志愿者记录吞咽的喉咙上。 G）电阻的可重复性在水滴下发生变化。H） SPE₂NC_2.5 皱水凝胶传感器的即时响应，响应时间为 50 ms。I） SPE₂NC_2.5皱水凝胶传感器和现有皱传感器的响应时间

图4.皱纹增强敏感性。A，B）激光共聚焦光学显微镜显示了SPE2NC2NC2.5褶皱水凝胶在不同应变下在不同方向上拉伸过程中的原位表面形貌转变和响应表面变化图。C）动态拉伸过程中皱纹图案Ω值的变化。D）SPE₂NC_2.5 皱平水凝胶传感器的相对电阻随拉伸应变的变化。插图显示了LED的亮度随拉伸载荷的增加而变化。E）不同拉伸变形（50%、100%、200%和400%）下电阻变化的重复性。F） SPE₂NC_2.5皱水凝胶传感器在 3000 次循环中在 50% 变形下对循环压缩的抵抗响应。G） SPE₂NC_2.5皱纳米粘土复合水凝胶传感器在不同应变下在不同应力（如压缩、拉伸和弯曲应力）等多向力学力下的变形示意图。

图5.水凝胶的蛋白质抗性和细胞相容性。A）水凝胶抗蛋白吸附和细胞粘附示意图。B）不同成分的水凝胶对HSA的吸附量。C）在水凝胶支架上培养3 天的 RAW 264.7 巨噬细胞的染色。D）在不同水凝胶提取物中培养3天的HUVEC染色。E）在不同水凝胶提取物中培养 3 天的 C2C12 的染色。F）在不同水凝胶提取物中培养 3 天的HUVEC 的 cck-8 OD 值。G）在不同水凝胶提取物中培养3天的C2C12的cck-8 OD值

图6.SPE₂NC_2.5水凝胶的体内生物相容性和抗FBER胶囊评价。A）用于皮下植入水凝胶的大鼠模型示意图。B）1周后皮下植入PDMS和SPE₂NC_2.5水凝胶后的fber包裹图像。C，D）1周后植入物周围皮肤组织的H&E和Masson三色染色。

图7.体内植入后1周组织切片中的巨噬细胞变形和极化。A）CD68的免疫荧光染色（红色）。比例尺：100 μm。 B）CD86（红色）和CD206（绿色）的免疫荧光染色。C）根据CD68免疫染色图像计算荧光强度统计。D）根据免疫染色图像计算不同组M1和M2巨噬细胞的百分比。

图8.SPE₂NC_2.5微皱水凝胶作为应变传感器，与超声心动图、心电图和64通道电极阵列映射方法相比，用于准确检测心肌梗死。A）SPE₂NC_2.5水凝胶作为心脏信号检测传感器的位置示意图。B）7天术后心脏的代表性超声心动图图像。C）SD大鼠正常和心肌梗死心脏的心电图表现。D）从放置在正常和心肌梗塞心脏整个区域的应变传感器记录的心脏信号。E）记录SD大鼠非损伤区和损伤区的代表性心外膜激活图。红色：最早激活，蓝色：最新激活，数字表示激活时间（毫秒）。F）单通道信号心外膜电位64通道电极阵列映射系统。G）从心肌梗死SD大鼠非损伤梗死区域的应变传感器记录的心脏信号。H）放置在心脏三个不同位置（左心房、左心室和心尖）的应变传感器的示意图。I）通过将传感器放置在正常和心肌梗塞心脏的三个不同位置来测量从应变传感器记录的心脏信号

本研究利用具有表面褶皱微观结构和分层内部微结构的一步冷冻聚合技术，开发了一种高度可拉伸、生物相容性强、卓越的耐蛋白质性和纳米粘土复合增强离子导电水凝胶，并基于这些特性设计了一种应变生物传感器。纳米粘土的引入不仅增强了水凝胶的力学性能，而且还赋予了水凝胶系统中高度有序的微观结构。纳米增强水凝胶可以拉伸近1000%而不会断裂，并承受超过5000次加载/卸载循环。水凝胶表面的分层微观结构和纳米粘土片在网络中的有序分布显著增加了水凝胶的接触面积，提高了水凝胶作为应变传感器的灵敏度和结构集成。

该水凝胶传感器不仅可以对外部环境刺激提供低至 50 ms 的快速时间响应，还可以监测各种人体运动、液滴触觉和语音信号。更令人印象深刻的是，这种水凝胶具有显着的蛋白质抗性，并且在体内植入1周后表现出优异的细胞和组织生物相容性，不会形成纤维胶囊，证实了作为植入装置的实际应用的适用性和生物安全性。此外，还首次证明了水凝胶传感器可以准确定位发生心肌梗塞的区域。我们可以基于这些特性在未来设计一种水凝胶阵列传感器，并将其植入心脏表面，实时监测局部病变，这有可能成为实时监测心脏病病理变化的新策略。（文：SSC）

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