韓國研發突破性材料彈性可穿戴設備可以自我修復

Suk-Won Hwang

如果你曾經嘗試過用繃帶粘在肘部，你就會明白制造安全附著在人體上的可穿戴設備的困難之處了。如果再添加數字電子電路，那么問題就會變得更加復雜。現在，考慮到設備的自動修復斷裂或損壞，讓我們在使用時使其可生物降解，許多研究人員進行了更多的研究。

由韓國大學融合科學與技術研究生院（KU-KIST）的研究人員領導的一個國際團隊堅持不懈，開發出了據稱具有可拉伸性、自愈性和生物相容性的導體材料。他們的項目本月發表在《科學進展》雜志上（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9818）。

這種可生物降解的導體為患者監測提供了一種新方法，并將治療直接輸送到需要的組織和器官。例如，由這些材料制成的智能貼片可以測量運動、溫度和其他生物數據。這種材料還可以用來制造傳感器貼片，可以植入體內，甚至安裝在內臟器官的表面。生物相容性材料可以設計為在一段時間后降解，從而消除了以后移除傳感器的侵入性程序的需要。

Rose Strategic Partners，LLC的首席執行官Robert Rose說：“這項新技術是遠程醫療保健未來的一瞥。遠程患者監測是一個仍處于早期階段的行業，但我們已經看到了不僅是可能的，而且即將實現的前景。想象一下，一種植入手術部位的設備可以監測和報告你的內部愈合進展。如果它受損，該設備可以自行愈合，當工作完成時，它就會溶解。這聽起來像科幻小說，但現在它是科學事實。”

自愈彈性體

Suk-Won Hwang

該系統依賴于兩層不同的柔性材料，兩者都是自愈的：一層用于導電，另一層是彈性體層，用作支撐收集數據所需的傳感器和電路的基板。導體層基于一種縮寫為PEDOT:PSS的物質，PSS是聚（3,4-乙撐二氧噻吩，https://www.ossila.com/pages/what-is-pedot-pss）聚苯乙烯磺酸鹽的縮寫。它是一種導電聚合物，廣泛用于制造柔性顯示器和觸摸面板，以及可穿戴設備。為了提高聚合物的導電性和自愈性能，研究小組使用了聚乙二醇和乙二醇等添加劑，這有助于提高導電性以及材料自動修復切割或撕裂等損傷的能力。

為了適應彎曲的組織并在典型的身體運動中存活，基底層必須具有極高的柔韌性。研究人員基于可以匹配彎曲組織形狀的彈性體，如皮膚或單個器官。

這兩層由于化學鍵可以連接每層塑料薄膜的聚合物鏈而相互粘附。這些材料結合在一起，形成了一個靈活且可拉伸的系統。在測試中，研究人員表明，這些材料可以承受高達500%的拉伸。

自愈功能源于材料在切割或其他損壞時重新連接自身的能力。這種自愈特性基于一種稱為二硫化物復分解的化學過程。簡而言之，含有成對相連硫原子的聚合物分子，稱為二硫化物，在被切斷后具有自我改造的能力。這種現象產生于一種稱為二硫化物-二硫化物改組反應的化學過程，其中分子中的二硫鍵斷裂然后重新形成，而不一定是在原始伴侶之間。根據KU-KIST的研究人員的說法，在被切割后，他們的材料能夠在大約兩分鐘內恢復其電路的導電性，而無需任何干預。該材料還進行了彎曲、扭曲測試，以及在空氣和水下的性能測試。

與其他柔性電子設計相比，這種方法具有許多優勢。例如，銀納米線和碳納米管已被用作可拉伸器件的基礎，但它們可能很脆，缺乏KU-KIST材料的自愈性能。其他材料，如液態金屬，可以自愈，但它們通常很難處理和集成到可穿戴電路中。

作為演示，該團隊創建了一個多功能傳感器，包括大約4.5平方厘米的濕度、溫度和壓力傳感器。盡管在四個不同的位置被切割，但它能夠自行愈合并繼續提供傳感器讀數。

在大鼠身上測試植入物

為了使演示更進一步，研究人員創建了一個1.8平方厘米的裝置，該裝置連接到大鼠的膀胱上。該裝置設計為包裹膀胱，然后粘附在自身上，因此不需要粘合劑或縫合線將傳感器連接到膀胱上。研究小組選擇膀胱進行實驗，因為在正常情況下，膀胱的大小可以變化300%。

該裝置結合了電極和壓力傳感器，能夠檢測膀胱壓力的變化。電極可以通過肌電圖信號檢測膀胱排尿，并刺激膀胱誘導排尿。與最初的演示一樣，對設備電路的故意損壞可以自行修復，無需干預。

材料的生物相容性和可生物降解性很重要，因為這意味著用它們制造的設備可以戴在皮膚上，也可以植入體內。這些材料是可生物降解的，這意味著植入物不需要第二次手術來移除它們。它們可以在達到目的后留在原地，然后被身體吸收。

根據KU-KIST助理教授Suk-Won Hwang的說法，在商業化的道路上仍然存在一些障礙。他說：“我們需要測試導體和基板層中使用的一些材料的生物相容性。雖然可擴展的生產似乎是可行的，但除了一些特殊應用外，二硫化物衍生物的高成本可能會使該技術過于昂貴。生物相容性測試和材料合成優化至少需要一到兩年的時間。”