2022/07/08

研究背景

水凝胶是一类由富水环境中的高分子链组成的亲水材料。由于水凝胶可以适应机械变形和导电，因此被应用于可穿戴式柔性应变传感器，用于人体运动信号监测。然而，水凝胶在该领域的应用仍存在一些局限性。首先，传统的水凝胶具有高弹性模量和低伸展性，这对与人体皮肤结合是不利的。其次，水凝胶的细胞毒性、低灵敏度和导电性限制了它们的适用性。因此，协同改善水凝胶的伸展性、灵敏度和生物相容性，用于可穿戴柔性应变传感器仍然是一个挑战。

近年来，受生物过程的启发，研究人员通过物理纠缠、离子相互作用或天然生物质的化学交联来制备生物复合水凝胶。研究发现，生物复合水凝胶可以应用于应变传感器，因为具有增强的机械性能，即高拉伸强度和韧性。因此，研究制造具有良好生物相容性和高敏感性的生物复合水凝胶对更好的实际应用是有意义的。

研究成果

生物复合水凝胶在可穿戴柔性应变传感器中的应用前景广阔。然而，现有的生物复合水凝胶仍然难以满足所有的要求，这限制了其实际应用。在此，受天然铁蛋白的结构和组成的启发，武汉理工大学解晶晶和傅正义教授课题组通过一种简单的方法设计了一种PAAm-铁蛋白混合水凝胶。铁蛋白均匀地分布在交联网络中，并作为一个纳米笼弹簧模型，导致水凝胶的拉伸强度增强。在1400%的最大伸长率下，断裂应力为99 kPa。如同制造的PAAm-Ferritin 混合水凝胶表现出高韧性和低弹性模量(21 kPa)。与PAAm水凝胶相比，PAAm-Ferritin 混合水凝胶具有良好的生物相容性和更高的导电性。作为一种可穿戴的柔性应变传感器，PAAm-Ferritin 混合水凝胶具有高灵敏度(测量系数=2.06)、良好的可靠性和循环稳定性。本研究表明利用铁蛋白合成功能材料的可行性，有利于扩大利用蛋白质合成材料的技术和应用领域。相关研究以“Nanocage Ferritin Reinforced Polyacrylamide Hydrogel for Wearable Flexible Strain Sensors”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究亮点

1. 受天然铁蛋白的结构和组成的启发，通过一种简单的方法设计了一种PAAm-铁蛋白混合水凝胶。

2. 聚丙烯酰胺提供了化学交联网络，铁蛋白在混合水凝胶中充当了纳米填充材料。获得的PAAm-铁蛋白混合水凝胶呈现出突出的综合性能，如高拉伸性、低模量、良好的生物相容性、增加的导电性和高灵敏度。

图文导读

Figure 1. Schematic diagram and microstructures of the hydrogels.

Figure 2. Mechanical test of the hydrogels.

Figure 3. Mechanical and rheological test of the hydrogels.

Figure 4. In vitro cytotoxicity test of the hydrogels.

Figure 5. Electromechanical response test of the hydrogels.

总结与展望
综上所述，作者制造了一种具有优良综合性能的PAAm-Frritin混合水凝胶。该混合水凝胶具有与人类皮肤特性相匹配的高拉伸性和低模量。同时，体外细胞毒性试验的结果表明，所获得的PAAm-亚铁蛋白混合水凝胶具有良好的生物相容性。亚铁蛋白可以增强水凝胶的导电性。PAAm-铁蛋白混合水凝胶在用于应变传感器时表现出高灵敏度、高可靠性和循环稳定性,使其能够精确检测人类活动，如手指运动。铁蛋白混合水凝胶可以拓宽设计可穿戴柔性应变传感器的途径。利用具有独特结构和成分的天然蛋白质可以为功能生物复合水凝胶的制造发展做出贡献。

文献链接
Nanocage Ferritin Reinforced Polyacrylamide Hydrogel for Wearable Flexible Strain Sensors, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 21278−21286，https://doi.org/10.1021/acsami.2c00317

文章来源 | i学术i科研

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