东华大学张耀鹏、范苏娜团队《JMCA》：可体内吸收型蚕丝导线

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开发兼具生物相容性、可降解性、且降解产物安全无害的植入器件对人体健康监测及疾病治疗具有重要意义。目前，研究者们开发了生物可降解型摩擦纳米发电机（TENG）、电容器、传感器等电子器件，但这些器件植入体内后，大多仍需导线实现信号的传输。然而，与器件连接的导线多为传统的不可降解的金属材料，致使器件尚未达到完全降解。因而，基于可再生的天然聚合物开发可降解型导线具有重要的应用价值。

为了在真正意义上实现包括导线在内的植入器件的全降解，近日东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队基于之前开发的丝素纳米带（SNR）（Nano Energy, 2020, 74, 104837），掺杂少量魔芋（KGM），制备了全生物基的复合膜（SKCF），并将其作为基底材料，Cr/Au为导电层，构筑了生物可吸收型导线（SKCF-Au导线）。该生物基导线不仅质轻、柔韧，而且具有优异的生物相容性、可降解性，可实现对摩擦纳米发电机信号的高效传输，有望应用于柔性可穿戴电子和植入型生物电子器件领域。国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》以全文形式报道了该重要成果（Natural Polymer-Based Bioabsorbable Conducting Wires for Implantable Bioelectronic Devices）。论文第一作者为博士生牛欠欠，共同通讯作者为范苏娜博士。

图1 应用于植入型电子器件的天然聚合物基可吸收型导线

本工作中，首先研究了不同SNR和KGM配比的SKCF的结构、形貌和性能。KGM的添加主要是为了解决湿态下SNR膜（SNRF）的断裂伸长率低的问题。经过对SKCFs在干态和湿态下进行力学性能测试，研究者发现当SNR和KGM的配比为8:2（S8K2）时，湿态断裂能达到最高（0.6 MJ/m³），此时的湿态断裂强度为0.95 MPa，断裂伸长率约为92%。添加少量的KGM除了提高了复合膜的断裂伸长率，还提升了SKCF的透光率，但略微降低了其亲水性和表面粗糙度，对其FTIR和WAXD峰位影响较小（图2）。

图2 SKCF的结构、形貌和性能。不同配比的SKCFs的（a）FTIR图和（b）WAXD谱图；（c）厚度约为23 μm的SKCFs的紫外透光率图；SKCFs的（d）接触角和（e）AFM表面形貌图；不同配比的SKCFs在（f）干态和（g）湿态的应力-应变图；（h）不同配比的SKCFs在湿态下的断裂能。

在SKCF（S8K2）表面蒸镀导电层Cr/Au（10/140nm），制得SKCF-Au导线。该导线质轻，密度约为1.6 g/cm³；基底和导电层厚度分别仅为39 μm和150 nm；且具有较好的柔韧性（图3a）。SKCF-Au导线的在干态和湿态下的强度分别为55.8 MPa和1.5 MPa（图3b，c）。导电层的蒸镀有助于提升断裂强度，但断裂伸长率有轻微降低。通过在SKCF-Au膜上培养细胞证明了其优异的生物相容性（图3d，e）。SKCF-Au导线与带有导电层的摩擦层可以较好地连接，形成通路（图3f，g），且在液态环境中的阻抗值较低，导电层稳定不易脱落。

图3 SKCF-Au导线的性能评估。（a）卷曲的SKCF-Au导线图片；SKCF-Au线的（b）干态和（c）湿态力学性能；（d）L929细胞在SKCF-Au上培养2、4、6 d的细胞增殖能力；（e）L929细胞在SKCF-Au上培养3 d的荧光染色图；SKCF-Au导线与蒸镀有Mg的SNRF相连接的（f）图片和（g）电阻；SKCF-Au膜在PBS中浸泡不同时间后的（h）表面方阻和（j）阻抗；（i）阻抗测试示意图；（k）SKCF-Au和Cu膜在PBS中浸泡不同天数的阻抗对比。（h）为干燥后测试。

为了验证导线对器件电信号的传输效率，研究者将SKCF-Au导线与SNRF/再生丝素蛋白膜（RSFF）TENG相连接，集成了全降解型器件（图4a），并与通过传统金属导线连接的相同TENG的输出性能进行对比（图4b，c）。结果表明，SKCF-Au线与TENG连接时，最高输出电压为79.3 V，输出能量密度（PD）为314.3 mW/m²，分别是连接传统金属导线的TENG输出性能的1.7-2.2倍和2.8-4.7倍（图4d）。这一优异的传输效率得益于SKCF-Au导线的截面形状和导电层较大的宽厚比（图4b，c插图）。更为重要的是，SKCF-Au导线具有生物可降解性，将其浸泡在37 °C的酶溶液中，28 d后，降解率约45%，证实了其有望应用于可植入电子领域，以真正实现器件的全降解。

图4 集成器件的输出性能。（a）将SKCF-Au与SNRF/RSFF TENG相连接集成生物可吸收型能量产生装置的设计示意图；（b，c）TENG与四种导线连接时的输出电压图；（d）连接不同导线的TENG的输出电压和PD对比图。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市优秀学术带头人项目、上海市自然科学基金、上海市科学技术委员会国际合作项目、东华大学研究生创新基金等项目的资助。部分工作完成于上海同步辐射光源BL15U线站。博士生黄翔宇、吕莎莎和姚响副教授为共同作者。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/TA/D0TA09701B

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