智能人造皮肤 华人科学家赵选贺开发出革命性新型材料

365体育官网2017年3月30日讯  或许水凝胶这个名字对大家来说都很陌生,但是下图中的尿不湿可能人人都知道,尿不湿里的吸水材料就是水凝胶。

关于水凝胶的吸水性到底有多强,下面这张图可以一目了然。

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如此强大到令人发指的吸水能力从何而来呢?这就要从水凝胶的分子结构说起了。

水凝胶是一种互相交联的含亲水基分子高聚物(类似于橡胶)。这些聚合物通常含有羧基(-COO-),一种常见的水凝胶聚合物为聚丙烯酸钠。

所有这些应用都源于一种新材料——新型水凝胶,它是由麻省理工学院(MIT)的助理教授,赵选贺(Xuanhe Zhao)带领团队研发出的。这种新型材料克服了普通水凝胶自然脱水的这一天生“硬伤”,因此这一成果不仅可以增强现有水凝胶产品的使用体验,还将为水凝胶的应用开辟出一片全新的领域。

赵选贺助理教授于2014年9月加入MIT机械工程系。在此之前,他在杜克大学机械工程与材料科学系担任助理教授。2009年,他在哈佛大学机械工程学院获得了博士学位。

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赵教授致力于固体力学、软材料及仿生设计领域的研究。目前的研究主要集中在三个方面:人造肌肉(介电聚合物和机电)、坚韧软骨(坚韧及具有生物活性的水凝胶),以及改造皮肤(功能表面不稳定性和薄膜力学)。

赵教授是美国国家科学基金会“早期事业奖”的获奖者,曾获美国海军研究办公室“青年科学家奖”。

聚合物长链经常以随机盘绕的分子存在,但是在缺少钠离子的环境中,羧基上负离子会相互排斥,长链也会随之解开缠绕。水凝胶充满水分的奥秘来源于水分子与羧基中氧原子形成的氢键。在这种情况下,水凝胶能够最多吸附自身重量500倍的水分子。超过90%的含水量也让水凝胶具有了和人体组织一样的弹性。

由于兼有柔软性和弹性,水凝胶有着广泛地应用范围,其中之一是作为伤口敷料。被放置在皮肤的创伤处,潮湿的水凝胶能够起到防止伤口干燥、感染,缓解疼痛的作用。水凝胶本身不会黏附在皮肤表面,移除时也不会对皮肤造成二次伤害。

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当然,还有很多人每天都要使用的隐形眼镜,水凝胶可能是目前为止唯一可以与我们敏感而湿润的眼球亲密接触,但又不造成太多不适的材料吧。

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近年来,随着人造水凝胶的发展,水凝胶的应用也逐渐拓宽。包括农业汲水,人工造雪,煤炭脱水,人体细胞组织工程。水凝胶柔韧、亲水的特性备受关注。但是,有一个问题长期限制了水凝胶相关应用的进一步发展,那就是水凝胶暴露在空气中时,会不断蒸发脱水,最终逐渐干瘪变硬而失去它的优良性质,因此,如何一直保持水凝胶柔韧的特性成了科学家亟待攻克的难题。

新型“不干水凝胶”问世

来自MIT机械工程系的助理教授赵选贺及他带领的团队攻克了关于水凝胶的这一技术难题,然而研发之路却并非一帆风顺。

早在去年12月,赵教授就曾经发表了用以粘合金属、陶瓷、玻璃等坚硬固体表面的水凝胶的相关成果。基于此技术,研究人员在水凝胶里嵌入电子传感器,制成“智能绷带”。然而令他们失望的是,水凝胶最终脱水完全干,失去了弹性。

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最近,赵教授的团队卷土重来,他带领的工程师团队找到了一种防止水凝胶脱水的方法。用这种技术可以制造耐用的隐形眼镜,可伸缩的微流计,柔性生物电子产品,甚至是人造皮肤。

“不干水凝胶”(左)和普通水凝胶(右)的空气暴露实验对比

研究人员发现在水凝胶的表面覆盖的一层薄薄的弹性体层(弹性体 elastomer,泛指橡胶、硅树脂之类的部分交联的高分子材料。)可以发挥“锁水屏障”的作用,这层屏障可以保持水凝胶的水分和柔性,同时使它更加坚固。

MIT的研究人员展示不会变干的水凝胶:

赵教授说,他们的团队从人体的皮肤结构获得了灵感。人体皮肤有表皮层紧紧附在着内部的真皮上,用以保护皮层内部神经和毛细血管。虽然表皮层谈不上刀枪不入,但是防止人体肌肉和其他器官的水分流失还是绰绰有余了。

因此这种“不干水凝胶”在结构上与人体皮肤此非常相似,但是弹性体和水凝胶的连接处比人体表皮真皮粘合紧密数倍。该团队还构建了一个物理模型,以量化指导不同水凝胶弹性体粘合组合。

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除此之外,研究人员正在探索这种新型水凝胶的潜在应用领域。在这篇论文中,他们展示了在水凝胶中印出微小通道的技术,就像人体的血管一样。他们也在材料中嵌入复杂的粒子线路来模仿人体的神经网络。“我们最终希望实现合成人体皮肤,甚至让机器人拥有柔软灵活具有生物功能的皮肤。”赵教授说道。

水凝胶的防水皮肤

科学家们研究如何防止水凝胶脱水并不是什么新课题。曾有一些科学家曾提出在水凝胶中添加盐来防止脱水,但赵教授认为,这会让水凝胶失去生物相容性甚至对人体组织有毒害。因此,只有同时兼具良好伸展性和防水性的材料才是明智之选。

很快,他们发现了弹性体这种理想的覆盖层。在搜遍了各种化学粘合剂的文献后,他们发现了一种受紫外线激发的粘合剂—苯甲酮。

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他们首先将一片薄弹性体层滴入苯甲酮的溶液中,然后将处理过的弹性体包裹住水凝胶置于紫外线的照射中。形成的混合物在干燥的实验室环境中放置48小时后,没有重量变化。这意味着水凝胶基本保持住了水分。

研究人员们也测试了分离两层材料所需要的剥离力,高达1000J/m2的剥离力比分离人体上表皮所需的力还要高得多。赵教授说道:“这比人体皮肤还要坚韧,我们甚至还能将材料拉神至7倍的长度。”

不可限量的未来

对于赵教授的团队来说,不干的水凝胶只是研究的开始,他们进一步设计出了在水凝胶弹性体混合物里刻出微导管模仿人体血管网络的方法。只需把弹性体置于硅晶圆上用软光刻刻出导管图案,其余步骤与正常混合物相同,就可以得到内部流动不同液体的水凝胶混合物。

在不久的将来,混合弹性体材料可以被用作微流体绷带,通过皮肤将药物输送进人体。水凝胶弹性体微流芯片用不同微流导管输送化学药品,同时在实验室中,微流芯片展现出了良好的伸缩性。

研究团队还探索了混合材料作为复杂离子回路的可能性。神经网络就像一个电路,皮肤里的神经将疼和热的感觉以离子的形式传到各个感官。水凝胶的大部分是由水构成的,因此本身就是天然的优良导体,离子可以在其中自由移动;弹性体的保护层则正好充当了绝缘体,防止离子出逃,简直是天作之合。

为了能够传导离子,混合材料被浸没在氯化钠溶液中,然后将材料中间接上一个LED灯。给电路供电,他们能通过离子电流掌控开关一盏LED灯了。

没有使用任何金属,仅仅用水凝胶就造出了完美的电路,模拟了神经元的功能。在拉伸状态下,他们仍然可以保持良好的连接性和功能。新型水凝胶给大家展现了美好的前景。

团队的下一步就是丰富混合材料的应用。这其中包括可穿戴电子设备,按需输送药物的绷带,和嵌入电路的隐形眼镜。如赵选贺教授所说“我们正在一步一步的拓展水凝胶的工具箱。”

目前所有的应用都处在实验室阶段,赵教授的团队还没有将新型水凝胶投入实际应用。水凝胶和弹性体各自的神奇物理化学特性,让混合材料具有更加丰富的应用。

我们甚至可以想象,智能人造皮肤可以为人体健康监控、病原体感知和药物输送提供帮助,但是这也需要更多交叉学科的共同合作。

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