《AFM》：纤维素聚多巴胺水凝胶直接在皮肤上打印！

来源： EngineeringForLife

随着医疗保健行业的快速发展，特别是在再生医学和基于康复的治疗领域，生物电子设备在监测和调控人体生理信号方面发挥着越来越重要的作用。高保真度的信号记录或传递需要形状定制和贴合接触，以适应皮肤的缝隙、复杂曲线和移动的身体部位。为了提高生物电位记录的信号质量和刺激的效率，需要开发具有简单生物相容交联机制的导电水凝胶，这些水凝胶能够在皮肤表面直接形成，以提供更好的贴合界面。

有鉴于此，多伦多大学Hani E. Naguib等人利用生物基聚合物之间的物理交联机制开发一种可导电的自粘附水凝胶直接在皮肤上打印可穿戴电极。由于在皮肤上的原位凝胶化转变，降低了接触阻抗，展示了其在个性化、效率和舒适度方面改善未来医疗保健应用的潜力。

1．主要内容

图1 PAINT水凝胶网络示意图

CMC中的羧甲基基团可提供离子键和氢键，PDA中的氧化邻苯二酚基团可提供邻醌的部分共价键和氢键，带正电荷的PEDOT:PSS骨架与PA中的带负电荷的磷酸基团可产生离子相互作用，磷酸基团与CMC和PDA中的供体羟基键合产生交联。高浓度的PEDOT:PSS聚合物链密度增强了分子间的相互作用并促进了链的缠结，限制了所有聚合物链的流动性，导致表观粘度、存储模量G'和剪切屈服强度呈上升趋势。

图2 基于挤压的手持式3D打印机用于在皮肤上直接书写墨水

当PAINT油墨的印刷速度超过6.25 mm s-1或剪切速率超过80 s-1时、需要更长的时间才能恢复到原来的结构强度或粘度。这是由于聚合物链沿剪切方向排列，使物理交联发生显著的解离、拉伸和破坏，从而使粘流占主导地位。在剪切力消失后，需要更多时间扩散回弹性固态。此外，较小的喷嘴直径也会导致印刷线宽扩展变形较大，这可能是由于剪切速率与喷嘴直径之间存在反相关关系。直径越大，剪切速率越低，剪切稀化时的粘度变化越小。剪切稀化的PAINT油墨的粘度变化较小，与挤压相比，它能保持较高的粘度。相比，在类似的打印速度下，通过小喷嘴挤出的粘度更高。作者认为，喷嘴直径为3毫米、速度为2.5毫米/秒的最佳打印机参数，可使挤出线条的形状保真度达到最佳。使用手持打印机和22G打印头、打印分辨率保持不变（618.7 μm ± 77.5 μm）当使用优化参数在皮肤上打印类似图案时，打印分辨率保持不变（618.7 μm ± 77.5 μm）。打印出的PAINT水凝胶呈海绵状形态使其网络结构具有更好的保湿性和保形性。

图3 水凝胶的力学检测

PEDOT：PSS与CMC-PEDOT溶液的比例分别为35、50和65wt%。交联后，所有三种浓度的印刷水凝胶都能承受适度的拉伸和压缩应变，在PAINT水凝胶在88-159%的伸展应变范围内失效之前，能与人体皮肤因自然组织拉伸而产生的25%表面应变相匹配。浓度增加近一倍会导致极限拉伸应变降低50%，但弹性模量和韧性却增加10倍。含量为65 wt% 的水凝胶在交联后表现出最佳的机械强度和结构完整性，同时还能与人体的弯曲和移动表面保持保形接触。增加PDA浓度可提高粘合强度，达到PDA负荷阈值后，剪切粘合强度会趋于稳定。PAINT水凝胶具有自粘性和类似皮肤的柔韧性，能够在整个运动过程中与非平面表面保持保形界面。   

图4 对水凝胶适用于生物实验的研究

在凝胶化过程中，PEDOT:PSS或PDA可能会发生进一步的相分离，从而影响导电网络的均匀性，这反映在电导率的高偏差上。与猪指关节生物系统接触时，PAINT水凝胶在很宽的频率范围内始终显示出比Ag/AgCl涂层凝胶电极更低的阻抗。与PAINT电极相比，Ag/AgCl涂层凝胶电极通过1小时1 mA电流幅值的刺激诱发了严重的皮肤刺激，这是因为PAINT电极在刺激器记录到的界面阻抗更高。PAINT水凝胶与L929培养3天后，表示细胞活力的比吸光度与使用普通细胞培养基的对照组相比无明显差异。水凝胶与细胞接触48小时后没有观察到对皮肤的刺激。

图5  表皮PAINT水凝胶电极制造工艺示意图

PAINT水凝胶电极的性能与Ag/AgCl涂层凝胶相当。PAINT水凝胶电极与工业标准的Ag/AgCl涂层凝胶电极相比显示出更好的信号质量，因为其离子和电子电荷载体的高传导性使其能够检测手指的伸展运动，而且保形界面降低了静止状态下的噪声。手指紧握运动的信噪比提高了16.7%，手指伸展运动的信噪比提高了87.5%。PAINT水凝胶电极可在皮肤上就地制造，有效克服了毛发和皮肤褶皱的阻碍，从而降低了接触阻抗，同时其高含水量促进了皮肤-电极界面的传递，而共轭聚合物PEDOT则促进了离子扩散。与PAINT相比，商用电极在较高电流密度下仍无法引起眼睛完全闭合，导致肌肉意外凹陷。具有预定义几何形状的电极降低了刺激的空间分辨率，导致不想要的肌肉受到刺激，而目标肌肉却没有受到刺激。与市售的sFES电极相比，PAINT水凝胶电极可选择性地激活目标肌肉，并在感觉阈值保持不变的情况下提前启动运动阈值，从而提高康复疗程的效率，并改善患者的舒适度。   

2.结论与展望
研究者们提出了一种新型的3D打印、形状可定制的导电聚合物墨水，这种墨水能够在皮肤上原位交联形成可穿戴电极。这种名为PAINT的聚合物墨水具有固有的剪切变稀特性，适合于皮肤上的直接墨水打印，能够最大化生物电子界面的有效接触面积。PAINT水凝胶结合了电容耦合和电荷存储能力，展现出了优越的低阻抗特性。利用手持3D打印机制造的形状定制电极，能够与皮肤形成共形接触，通过简单、快速且可扩展的过程实现。PAINT水凝胶展示了离子和电子导电性、可调节的弹性和皮肤粘附性，能够提供高信噪比的连续信号传输和有效性，与商业电极相比具有优势。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202403721