韩国研发突破性材料弹性可穿戴设备可以自我修复

Suk-Won Hwang

如果你曾经尝试过用绷带粘在肘部，你就会明白制造安全附着在人体上的可穿戴设备的困难之处了。如果再添加数字电子电路，那么问题就会变得更加复杂。现在，考虑到设备的自动修复断裂或损坏，让我们在使用时使其可生物降解，许多研究人员进行了更多的研究。

由韩国大学融合科学与技术研究生院（KU-KIST）的研究人员领导的一个国际团队坚持不懈，开发出了据称具有可拉伸性、自愈性和生物相容性的导体材料。他们的项目本月发表在《科学进展》杂志上（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9818）。

这种可生物降解的导体为患者监测提供了一种新方法，并将治疗直接输送到需要的组织和器官。例如，由这些材料制成的智能贴片可以测量运动、温度和其他生物数据。这种材料还可以用来制造传感器贴片，可以植入体内，甚至安装在内脏器官的表面。生物相容性材料可以设计为在一段时间后降解，从而消除了以后移除传感器的侵入性程序的需要。

Rose Strategic Partners，LLC的首席执行官Robert Rose说：“这项新技术是远程医疗保健未来的一瞥。远程患者监测是一个仍处于早期阶段的行业，但我们已经看到了不仅是可能的，而且即将实现的前景。想象一下，一种植入手术部位的设备可以监测和报告你的内部愈合进展。如果它受损，该设备可以自行愈合，当工作完成时，它就会溶解。这听起来像科幻小说，但现在它是科学事实。”

自愈弹性体

Suk-Won Hwang

该系统依赖于两层不同的柔性材料，两者都是自愈的：一层用于导电，另一层是弹性体层，用作支撑收集数据所需的传感器和电路的基板。导体层基于一种缩写为PEDOT:PSS的物质，PSS是聚（3,4-乙撑二氧噻吩，https://www.ossila.com/pages/what-is-pedot-pss）聚苯乙烯磺酸盐的缩写。它是一种导电聚合物，广泛用于制造柔性显示器和触摸面板，以及可穿戴设备。为了提高聚合物的导电性和自愈性能，研究小组使用了聚乙二醇和乙二醇等添加剂，这有助于提高导电性以及材料自动修复切割或撕裂等损伤的能力。

为了适应弯曲的组织并在典型的身体运动中存活，基底层必须具有极高的柔韧性。研究人员基于可以匹配弯曲组织形状的弹性体，如皮肤或单个器官。

这两层由于化学键可以连接每层塑料薄膜的聚合物链而相互粘附。这些材料结合在一起，形成了一个灵活且可拉伸的系统。在测试中，研究人员表明，这些材料可以承受高达500%的拉伸。

自愈功能源于材料在切割或其他损坏时重新连接自身的能力。这种自愈特性基于一种称为二硫化物复分解的化学过程。简而言之，含有成对相连硫原子的聚合物分子，称为二硫化物，在被切断后具有自我改造的能力。这种现象产生于一种称为二硫化物-二硫化物改组反应的化学过程，其中分子中的二硫键断裂然后重新形成，而不一定是在原始伴侣之间。根据KU-KIST的研究人员的说法，在被切割后，他们的材料能够在大约两分钟内恢复其电路的导电性，而无需任何干预。该材料还进行了弯曲、扭曲测试，以及在空气和水下的性能测试。

与其他柔性电子设计相比，这种方法具有许多优势。例如，银纳米线和碳纳米管已被用作可拉伸器件的基础，但它们可能很脆，缺乏KU-KIST材料的自愈性能。其他材料，如液态金属，可以自愈，但它们通常很难处理和集成到可穿戴电路中。

作为演示，该团队创建了一个多功能传感器，包括大约4.5平方厘米的湿度、温度和压力传感器。尽管在四个不同的位置被切割，但它能够自行愈合并继续提供传感器读数。

在大鼠身上测试植入物

为了使演示更进一步，研究人员创建了一个1.8平方厘米的装置，该装置连接到大鼠的膀胱上。该装置设计为包裹膀胱，然后粘附在自身上，因此不需要粘合剂或缝合线将传感器连接到膀胱上。研究小组选择膀胱进行实验，因为在正常情况下，膀胱的大小可以变化300%。

该装置结合了电极和压力传感器，能够检测膀胱压力的变化。电极可以通过肌电图信号检测膀胱排尿，并刺激膀胱诱导排尿。与最初的演示一样，对设备电路的故意损坏可以自行修复，无需干预。

材料的生物相容性和可生物降解性很重要，因为这意味着用它们制造的设备可以戴在皮肤上，也可以植入体内。这些材料是可生物降解的，这意味着植入物不需要第二次手术来移除它们。它们可以在达到目的后留在原地，然后被身体吸收。

根据KU-KIST助理教授Suk-Won Hwang的说法，在商业化的道路上仍然存在一些障碍。他说：“我们需要测试导体和基板层中使用的一些材料的生物相容性。虽然可扩展的生产似乎是可行的，但除了一些特殊应用外，二硫化物衍生物的高成本可能会使该技术过于昂贵。生物相容性测试和材料合成优化至少需要一到两年的时间。”