[發(fā)明專利]一種集成多模態(tài)響應(yīng)的導(dǎo)電水凝膠及其制備方法和用途

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211440091.1
• 申請日: 2022-11-17
• 公開（公告）號: CN115806740A
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫靜;吳肖陽;范紅松;肖佳美;吳凱;衛(wèi)丹
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: C08L89/00
• 分類號: C08L89/00;A61B17/90;A61B17/86;A61B5/145;A61B5/296;A61B5/00;A61N1/05;A61N1/36;C08L65/00;C08L25/18;C08J3/075;A61L31/04;A61L31/06;A61L31/14
• 代理公司: 成都高遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51222
• 代理人: 肖雯;全學(xué)榮

本發(fā)明提供了一種集成多模態(tài)響應(yīng)的導(dǎo)電水凝膠及其制備方法和用途，屬于生物電子材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明水凝膠是由如下重量配比的原料制備而成：酪胺摻雜的PEDOT：PSS 0.1～0.5份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明膠10～16份。本發(fā)明水凝膠生物相容性好，導(dǎo)電率高，同時(shí)具有突出的柔性、自愈合、粘附性以及尿素響應(yīng)性。使水凝膠材料表現(xiàn)出快速響應(yīng)、生物集成和多模態(tài)傳感性能。本發(fā)明水凝膠既可以作為一種可穿戴傳感器，提供物理、化學(xué)和電生理參數(shù)等人體健康狀況的全面視圖；又可以作為一個(gè)雙向的神經(jīng)接口，用于放大的ECoG信號記錄和治療性電刺激。本發(fā)明為全面的醫(yī)療監(jiān)測和人機(jī)交互研究提供更多機(jī)會。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集成多模態(tài)響應(yīng)的導(dǎo)電水凝膠及其制備方法和用途。

背景技術(shù)

近年來，可穿戴和可植入式軟生物電子學(xué)的發(fā)展為個(gè)性化健康監(jiān)測和精確診斷和治療開辟了廣泛的應(yīng)用。與剛性和脆性的傳統(tǒng)金屬基材料相比，導(dǎo)電水凝膠提供獨(dú)特的靈活性和優(yōu)異的生物相容性，并集成許多先進(jìn)的特性，如高拉伸性、自愈合、組織粘附和優(yōu)秀的機(jī)械-電子轉(zhuǎn)換的性能，因此引起了大量對可穿戴和植入式生物傳感器的關(guān)注。然而，一般的導(dǎo)電水凝膠在人體生理參數(shù)監(jiān)測、疾病診斷和治療的多模式監(jiān)測中往往失效。

對于適用于長期生物集成的可穿戴式和可植入式傳感器，其優(yōu)異的靈活性和可拉伸性、可調(diào)節(jié)的界面粘附性、高導(dǎo)電性和生物相容性是產(chǎn)生高記錄靈敏度和低信號耗散所必需的。然而，目前大多數(shù)基于水凝膠的傳感器僅具有應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)性，但不能識別多種刺激。許多進(jìn)展一直集中在測量物理或電生理參數(shù)(如呼吸速率、心率和皮膚溫度)，很少關(guān)注監(jiān)測生化代謝物(如葡萄糖、乳酸和尿酸)相關(guān)的健康狀況，這大大限制了診斷的機(jī)會。因此，開發(fā)能夠同時(shí)追蹤物理、化學(xué)和電生理特性的多模態(tài)可穿戴傳感器，對其進(jìn)行更全面的人體健康監(jiān)測具有重要意義。此外，智能水凝膠傳感器致力于創(chuàng)造一個(gè)理想的電子-組織界面，有效地將電化學(xué)和電生物信號傳遞到電信號敏感的細(xì)胞和組織，從而產(chǎn)生一系列的治療效果，包括細(xì)胞分化和組織再生。綜上所述，開發(fā)具有生物集成、多模態(tài)響應(yīng)性和治療功能等多功能集成的可穿戴式和可植入式水凝膠傳感器的趨勢越來越大。但是這種多功能傳感器通常是通過將來自不同材料的獨(dú)立傳感器集成到一個(gè)電子設(shè)備中來制造的，缺乏集成多模態(tài)響應(yīng)的單一材料平臺。

目前，構(gòu)建導(dǎo)電水凝膠的一種廣泛使用的策略是在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中對導(dǎo)電聚合物進(jìn)行物理共混或氧化化學(xué)聚合，包括聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、或聚(3,4-乙基二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)。聚合物基體提供穩(wěn)定的三維支撐，導(dǎo)電填料給予基質(zhì)導(dǎo)電性，但是導(dǎo)電填料和水凝膠網(wǎng)絡(luò)之間的弱相互作用削弱了材料的電導(dǎo)率。此外，由于缺乏自愈合、組織粘附、生物相容性等生物整合，以及多刺激響應(yīng)性，進(jìn)一步限制了水凝膠-組織界面上穩(wěn)定高效的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和多模態(tài)感知。

明膠基水凝膠由于其可調(diào)的力學(xué)性能、高生物相容性和良好的功能改性或廣泛的鍵合能力，是開發(fā)柔性可穿戴傳感器的很有前途的材料。另一方面，PEDOT:PSS作為一種很有前途的導(dǎo)電填料候選材料，具有良好的導(dǎo)電性、水分散性和加工能力，展現(xiàn)出構(gòu)建高導(dǎo)電滲流網(wǎng)絡(luò)的高潛力。因此，利用明膠和PEDOT:PSS作為水凝膠基質(zhì)和導(dǎo)電填料是構(gòu)建生物相容性導(dǎo)電水凝膠的一種選擇，可以實(shí)現(xiàn)有利于生物電子應(yīng)用的柔韌性、導(dǎo)電性和生物相容性。然而，明膠與PEDOT:PSS之間的簡單氫鍵和靜電相互作用形成的物理水凝膠的適用性值得懷疑，主要原因是其力學(xué)性能差，自愈合和組織粘附性弱，以及缺乏刺激響應(yīng)。論文《基于四重氫鍵(UPy)作用的熱響應(yīng)水凝膠的制備及應(yīng)用研究》(廣西大學(xué)，碩士學(xué)位論文，徐元德，2018年)中公開了隨著四重氫鍵含量的增加，明膠鏈愈合效果、機(jī)械性能提高。但是，該論文并不涉及PEDOT:PSS與明膠形成的水凝膠，同時(shí)制備的水凝膠并不具備多模態(tài)響應(yīng)功能。

如何建立一種具有多模態(tài)響應(yīng)的水凝膠，可以集成物理、化學(xué)和電生理傳感功能，具有良好的生物整合和治療功能，需要進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種集成多模態(tài)響應(yīng)的導(dǎo)電水凝膠及其制備方法和用途。