可调谐水凝胶电子学在周围神经病变诊断中的应用

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2023-11-20 17:54:20

可调谐水凝胶电子学在周围神经病变诊断中的应用

周围神经病变作为最常见的神经系统疾病之一，在过去的十年里引起了人们的极大关注。由于该疾病存在多种诱因，包括糖尿病、创伤、酗酒等，全球被诊断为周围神经病变的患者人数已超过700万，并呈不断增加的趋势。当患有周围神经病变时，患者往往有运动或感觉障碍，这会极大地影响他们的日常生活。幸运的是，及时干预可以延缓疾病的发展，因此迫切需要实施有效的早期诊断。目前，分析肌电图信号的幅度、传导速度和潜伏期通常被认为是评估神经损伤程度的有效方法。在此过程中，肌电图信号来源于神经元的动作电位，这些动作电位主要由刺激电极诱导并通过神经传导，最终由商业凝胶电极收集。然而，商用电极难以与皮肤建立稳定接触，从而显著降低刺激和记录性能。此外，由于患者皮肤的多样性需要定制电极的粘附性。然而，商用凝胶电极通常表现出不可调节的粘附，可能会在分离过程中给患者带来不适。

近年来，人们在优化设备/皮肤界面以提高电极的刺激和记录性能方面进行了大量研究。最近，水凝胶由于其优异的拉伸性和粘附性、低模量、与组织的相似性等优点，被公认为柔性电子器件有前途的界面材料。然而，实现有效粘附调节、电刺激和获取长期高保真肌电图信号的皮上设备仍有待开发。

基于此，来自华中科技大学的吴豪和刘玉田团队提出了一种聚天冬氨酸修饰的多巴胺/乙基离子液体水凝胶(PDEH)，具有快速可调的粘附性、增强的拉伸性和导电性，以优化设备/皮肤界面。

图1. 水凝胶皮肤贴剂用于诊断周围神经病变

（图片来源：Adv. Mater.）

水凝胶主要由聚丙烯酸(PAA)网络和接枝多巴胺的聚天冬氨酸(PASP-DA)链缠结形成。含有丰富[EMIM]⁺的离子液体也被引入水凝胶中，形成大量的静电作用和氢键，从而优化网络的粘附性、离子导电性和机械性能。此外，通过在由Zn电极和Pt电极组成的电场中组装水凝胶来调节PDEHs的粘附性。

然后，研究者结合电场触发的水凝胶界面层上的相关反应，进一步阐明了粘附调节的机制。当施加正电压时，与之接触的水凝胶表面会产生大量的氢氧根阴离子，阴离子的增加促进了硼酸盐离子和PASP-DA链之间邻苯二酚-硼酸盐键的产生，还会诱导羧基转化为水凝胶网络的羧基阴离子，加速与[EMIM]⁺形成静电键。因此，由于邻苯二酚基团和[EMIM]⁺的减少，水凝胶界面和基底之间的化学粘附和静电作用减弱。当施加负电压时则会形成相反的效果。

图2. PDEH界面的快速粘附调节

（图片来源：Adv. Mater.）

接着，研究者进一步评估PDEH界面的力学性能。与原始PDEHs相比，PDEHs(+4 V)的极限应变、断裂强度和断裂能显著增加。此外，由于Zn离子的分散，PDEHs(+4 V)具有较低的弹性模量，这有利于与皮肤建立稳定接触。这些结果可以进一步证实PASP-DA和Zn离子之间的螯合作用促进了水凝胶在应变下的能量耗散，从而增强了PDEHs的力学性能。