可植入式器件裝備（如可植入式傳感器、可植入式執(zhí)行器等）是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互和智能生物醫(yī)學(xué)工程的重要保障和技術(shù)前提，已成為多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。但生物體內(nèi)場(chǎng)景的復(fù)雜性對(duì)可植入式器件提出了極為苛刻的要求：要同時(shí)具備一定的機(jī)械強(qiáng)度、高度的生物相容性和良好的運(yùn)維指標(biāo)等。為此，作為兼具這幾種特性的功能材料，水凝膠被廣泛用來(lái)研究構(gòu)筑各種可植入式器件裝備。但當(dāng)前主流的高分子交聯(lián)水凝膠（1）機(jī)械強(qiáng)度難以精準(zhǔn)和大范圍調(diào)控，（2）盡管具有一定的生物相容性，但可降解性無(wú)法實(shí)現(xiàn)；因此大大制約了可植入式器件的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。相比之下，基于生物有機(jī)分子（如肽、氨基酸、DNA等）自組裝構(gòu)筑的超分子水凝膠有望在形性上同時(shí)滿(mǎn)足制造可植入式器件的需求。尤其是通過(guò)精確調(diào)控分子間作用力，生物有機(jī)分子自組裝結(jié)構(gòu)可被精準(zhǔn)操控，從而實(shí)現(xiàn)形性可編程式超分子水凝膠的設(shè)計(jì)構(gòu)筑，有望設(shè)計(jì)制造理想的可植入式器件。鑒于此，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陶凱研究員通過(guò)與浙江大學(xué)航空航天學(xué)院潘定一教授、修鵬副教授等合作者組建了一支多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)精確控制分子間驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了短肽自組裝在納米纖維—納米螺旋—納米帶之間的精細(xì)轉(zhuǎn)化，從而精準(zhǔn)調(diào)控超分子水凝膠的宏觀(guān)機(jī)械性能。利用分子制造技術(shù)，采用單一短肽自組裝體系即可開(kāi)發(fā)出可植入式觸覺(jué)傳感器的基底構(gòu)件和敏感單元等，首次實(shí)現(xiàn)了利用生物有機(jī)自組裝超分子水凝膠設(shè)計(jì)構(gòu)筑可植入式觸覺(jué)敏感元件，從而為無(wú)副作用的人機(jī)界面交互和智能生物醫(yī)學(xué)工程的實(shí)現(xiàn)提供了新的選擇（圖1）。相關(guān)成果以“Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable Properties for Tactile Sensing”為題發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials (IF = 27.4)上；我所修鵬副教授為論文共同通訊作者，我所碩士生孫吳雪鵬、博士生吳凱為該論文的分子模擬工作做出了重要貢獻(xiàn)。
本文以被廣泛研究的自組裝短肽——Fmoc-FF為例，其自組裝納米纖維基水凝膠儲(chǔ)能模量約為40.5 ± 10.9 kPa，遠(yuǎn)不足以擔(dān)任基底材料支撐器件結(jié)構(gòu)。為了提高其機(jī)械性能，本文在短肽自組裝過(guò)程中引入乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）作為輔助劑，通過(guò)增加短肽—溶劑分子間的相互作用力，精確控制自組裝結(jié)構(gòu)扭曲力與結(jié)合力之間的力學(xué)平衡，首次實(shí)現(xiàn)了Fmoc-FF自組裝納米纖維轉(zhuǎn)變成納米螺旋，并進(jìn)一步展開(kāi)成納米帶結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，論文詳細(xì)探究了PEGDA對(duì)Fmoc-FF自組裝影響的分子機(jī)制和作用規(guī)律（圖2）。
圖2 PEGDA調(diào)控Fmoc-FF自組裝
形貌決定性能，并影響材料的整體特性及器件的最終表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，自組裝納米帶基超分子水凝膠的儲(chǔ)能模量高達(dá)438.1 ± 53.6 kPa——可媲美人類(lèi)組織/器官的機(jī)械強(qiáng)度。采用介觀(guān)耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行流體力學(xué)模擬表明：與納米纖維基水凝膠相比，基于較寬納米帶的超分子水凝膠具有更大的復(fù)響應(yīng)函數(shù)實(shí)部，致使體系產(chǎn)生更高的儲(chǔ)能模量和機(jī)械強(qiáng)度。
因此，分別利用短肽自組裝納米帶和納米纖維（與導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS共組裝）基超分子水凝膠設(shè)計(jì)制造基底和敏感單元部件，可以制備出肽自組裝基觸覺(jué)感知器件。性能標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：該短肽自組裝基觸覺(jué)傳感器具有適當(dāng)?shù)撵`敏度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、可變振幅/頻率的高分辨率以及可靠的穩(wěn)定性，從而可作為傳統(tǒng)高分子聚合物基觸覺(jué)感知器件的替代品用于可穿戴設(shè)備和人機(jī)接口應(yīng)用，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)等。
生物有機(jī)自組裝體系的一大優(yōu)勢(shì)是優(yōu)良的生物相容性。通過(guò)將短肽自組裝超分子水凝膠植入到實(shí)驗(yàn)大鼠皮下部位，顯示出較弱的免疫反應(yīng)、松散的纖維化包封以及較低的膠原密度，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)或異物巨細(xì)胞等；并且在植入7天后水凝膠完全降解消失；因此顯示出優(yōu)良的生物相容性和體內(nèi)可降解性。利用上述編程制備的短肽自組裝超分子水凝膠基觸覺(jué)傳感器不僅可以用作仿生電子皮膚，更能植入到體內(nèi)進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)的傳感檢測(cè)；并且可以隨著病灶的恢復(fù)而自行降解，無(wú)需二次手術(shù)取出，從而有望減輕病患的負(fù)擔(dān)。這一成果將為生物電子學(xué)在人機(jī)接口和智能生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供新的思路。
文章信息：
Yunxiao Wang, Qiang Geng, Hao Lyu, Wuxuepeng Sun, Xinyuan Fan, Kang Ma, Kai Wu, Jinhe Wang, Yancheng Wang, Deqing Mei, Chengchen Guo, Peng Xiu*, Dingyi Pan*, Kai Tao*, Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable Properties for Tactile Sensing. Adv. Mater. 2024, 2401678. https://doi.org/10.1002/adma.202401678