近期，我校王學(xué)川教授團(tuán)隊(duì)在生物質(zhì)膠原基質(zhì)功能材料、生物醫(yī)用材料、柔性電子傳感材料等領(lǐng)域取得系列研究成果，在國際知名期刊Advanced Healthcare Materials、Nano Research等發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，系列研究結(jié)合國家重點(diǎn)發(fā)展的智能制造、大健康等戰(zhàn)略方向，以膠原基質(zhì)為原料衍生構(gòu)建了多功能柔性傳感材料、生物醫(yī)用材料等，為典型的跨學(xué)科交叉技術(shù)應(yīng)用，為擴(kuò)寬我校輕工學(xué)科內(nèi)涵發(fā)展提供支撐。部分研究成果如下：
1.高機(jī)械強(qiáng)度和透明度的天然皮膚基有機(jī)水凝膠電子皮膚
電子皮膚（e-skins）在機(jī)械性能上與人體皮膚類似，被認(rèn)為是用于無創(chuàng)人機(jī)交互和可穿戴設(shè)備的理想電子裝置。為了完全模仿人類皮膚，電子皮膚應(yīng)該擁有可靠的機(jī)械性能；同時(shí)能夠抵抗外部環(huán)境變化，如熱、冷、干燥和細(xì)菌；并且能夠感知多種外部刺激，如溫度、濕度和應(yīng)變。研究采用簡單的一鍋法，以天然皮膚為基材，并引入甜菜堿、銀納米粒子（AgNPs）、氯化鈉（NaCl）和甘油/水二元溶劑形成的混合液，以納米化方式設(shè)計(jì)了一種全新的多功能天然皮膚基有機(jī)水凝膠電子皮膚（NSD-Gel e-skin）。NSD-Gel e-skin顯示出良好的透明度以及優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保濕性、回濕性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有優(yōu)異的耐寒/耐熱性和刺激反應(yīng)特性，可以有效地感知環(huán)境溫度或濕度的變化，以及監(jiān)測人體生理/運(yùn)動(dòng)信號(hào)。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在惡劣的環(huán)境中（-196℃至100℃）也能起到組織保護(hù)作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴電子設(shè)備、人機(jī)界面和人工智能等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，為開發(fā)具有按需特性的高性能電子皮膚提供了一個(gè)重要平臺(tái)。
圖1 NSD-Gel e-skin的示意圖
相關(guān)成果以“Mechanically robust and transparent organohydrogel-based e-skin nanoengineered from natural skin”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。陜西科技大學(xué)博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)王學(xué)川教授和劉新華副教授以及四川大學(xué)郭俊凌教授。
2.用于健康監(jiān)測和熱量管理的多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料
作為可穿戴電子設(shè)備的重要組成部分，柔性應(yīng)變傳感器因其在捕捉姿勢和監(jiān)測各種人類活動(dòng)方面的能力而引起廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)應(yīng)變傳感器存在強(qiáng)度較低、導(dǎo)電性不高、特定環(huán)境應(yīng)用性能不足等問題。基于此，該項(xiàng)研究通過將原位聚合法、噴涂技術(shù)與浸漬方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料（PPy/SCB@PP-CFs）。PPy/SCB@PP-CFs顯示出優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（59.9 MPa）、導(dǎo)電性（6.5 S/m）、柔韌性、生物相容性、超疏水性（接觸角>155°）、阻燃性能、電磁屏蔽效果（18.3 dB）、光熱轉(zhuǎn)換性能和應(yīng)變傳感性能。值得注意的是，PPy/SCB@PP-CFs可作為柔性應(yīng)變傳感材料被制作成不同的可穿戴智能產(chǎn)品，這些產(chǎn)品即使在惡劣的環(huán)境條件下（如污漬、汗水、雨水、電磁干擾和低溫）也可以長期穩(wěn)定地用于個(gè)人健康監(jiān)測和熱量管理。簡單通用的制造工藝以及多功能的性能集成使PPy/SCB@PP-CFs在可穿戴電子設(shè)備、人機(jī)界面和人工智能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。
圖2 PPy/SCB@PP-CFs的微觀結(jié)構(gòu)和多功能示意圖
相關(guān)成果以“Versatile Nano-micro Collagen Fiber-Based Wearable Electronics for Health Monitoring and Thermal Management”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D2TA08263B）上。陜西科技大學(xué)博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院王學(xué)川教授和劉新華副教授。
3.邀請(qǐng)綜述：膠原基質(zhì)生物材料的研究進(jìn)展
自2010年以來，由于中國人口老齡化的迅速增長，人們對(duì)醫(yī)療保健模式的需求已經(jīng)超過了現(xiàn)有的資源。然而，中國生物醫(yī)用材料的發(fā)展與西方發(fā)達(dá)國家之間仍然存在一定的差距。膠原是細(xì)胞外間質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)蛋白，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。膠原基生物材料(CBBs)可用于制備敷料和真皮替代品、手術(shù)縫合線、血漿替代品、組織工程支架和藥物輸送系統(tǒng)等，這歸功于其特殊的生物相容性、生物可降解性、低免疫原性以及膠原宿主和組織之間的協(xié)調(diào)作用。本綜述對(duì)CBBs的結(jié)構(gòu)、交聯(lián)和成型技術(shù)，以及實(shí)際應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。首先，介紹和比較了動(dòng)物源性膠原和非動(dòng)物源性膠原的自然來源及其特殊結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)CBBs的各種交聯(lián)方法和成型工藝進(jìn)行了探討。隨后，闡述了幾個(gè)實(shí)例來說明CBBs在生物醫(yī)學(xué)上的實(shí)際應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)了實(shí)際應(yīng)用的注意事項(xiàng)。最后，從交叉學(xué)科的角度概述了CBBs的基本發(fā)展方向。本綜述旨在為膠原作為先進(jìn)生物醫(yī)用材料的獨(dú)特應(yīng)用提供全面的機(jī)制，從而為促進(jìn)膠原在中國的發(fā)展提供選擇。
圖3 膠原基生物材料(CBBs)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。膠原可以根據(jù)不同的水解條件水解成明膠、肽和氨基酸，然后交聯(lián)成膠原網(wǎng)絡(luò)和重組蛋白。CBBs被廣泛地應(yīng)用于以下方面：(A)止血；(B)口腔醫(yī)學(xué)；(C)骨缺損修復(fù)；(D)組織工程；(E)整形外科和(F)藥物輸送
相關(guān)成果以“A Review of Recent Progress on Collagen-based Biomaterials”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials(Adv. Healthcare Mater. 2022, 2202042, DOI: doi.org/10.1002/adhm.202202042)上。陜西科技大學(xué)博士研究生鄭漫輝和四川大學(xué)博士后陳一寧為本論文的共同第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院的王學(xué)川教授、姜慧娥副教授和劉新華副教授。
4.“三明治”型皮革復(fù)合智能電子地板
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能家居在提高人們生活質(zhì)量和健康方面發(fā)揮著越來越重要的作用。其中智能電子傳感地板是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤地板上方人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的重要手段之一。本文將生物質(zhì)明膠（Gel）與殼聚糖(Cs)、丙烯酰胺(AM)、多壁碳納米管(MWCNTs)、三氯化鐵（FeCl3）通過簡單的“一鍋法”復(fù)合合成了一系列具有超強(qiáng)粘接性、自愈合性和電活性的明膠基復(fù)合導(dǎo)電粘合水凝膠（CAM-Gels），并將其作為導(dǎo)電膠層用于三明治啟發(fā)的皮革復(fù)合智能電子地板（e-floor）的制造。綜合實(shí)驗(yàn)證明，豐富的活性基團(tuán)和組分間的粘結(jié)性賦予了CAM-Gels對(duì)各種基材的粘附能力。CAM-Gels在天然皮膚上表現(xiàn)出超強(qiáng)的粘接強(qiáng)度，明顯優(yōu)于目前已報(bào)道的聚氨酯膠粘劑、生物基膠粘劑和貽貝類膠粘劑。CAM-Gels由于具有動(dòng)態(tài)可逆的物理交聯(lián)作用，表現(xiàn)出按需的自修復(fù)能力。同時(shí)，CAM-Gels對(duì)大規(guī)模和小規(guī)模的人類活動(dòng)進(jìn)行了精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測，顯示了其在傳感器電子學(xué)方面的巨大潛力。此外，所設(shè)計(jì)的智能電子傳感地板顯示出可重復(fù)且有規(guī)律的電信號(hào)，證實(shí)了該電子地板可以準(zhǔn)確地跟蹤人們的日?；顒?dòng)。
圖4 皮革復(fù)合智能電子地板制備和應(yīng)用
相關(guān)成果以“Versatile Nano-micro Collagen Fiber-Based Wearable Electronics for Health Monitoring and Thermal Management”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D2TA08263B）上。陜西科技大學(xué)博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院王學(xué)川教授和劉新華副教授
5.具有“傷口治療-健康監(jiān)測”的超支化聚合物多功能導(dǎo)電水凝膠
具有新興生物電子學(xué)的導(dǎo)電水凝膠在整合實(shí)時(shí)監(jiān)測電刺激下的損傷運(yùn)動(dòng)和治療效果以及多功能治療性方面顯示出巨大潛力。受天然皮膚的啟發(fā)，本文設(shè)計(jì)了一種具有機(jī)械柔性、抗菌、電活性、生物粘合等功能的超支化聚合物基多功能電子水凝膠（CHHCMgel）。CHHCMgel具有所有理想的多功能特性，包括可調(diào)節(jié)的機(jī)械和生物電活性特性、快速凝膠化時(shí)間、自愈合能力和可重復(fù)粘附性。此外，CHHCMgel具有優(yōu)越的生物相容性和抗菌活性。體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)表明，CHHCMgel可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在特定電刺激下對(duì)止血效果、細(xì)胞增殖和進(jìn)一步的皮膚傷口愈合具有顯著的綜合治療效果，證實(shí)所提出的CHHCMgel支架可用于全層皮膚傷口愈合，作為新型柔性“傷口治療-健康監(jiān)測”生物電子植入物具有巨大潛力。
圖5 多功能CHHCMgel電子水凝膠的構(gòu)建思路
相關(guān)成果以“Tissue-nanoengineered hyperbranched polymer based multifunctional hydrogels as flexible "wound treatment-health monitoring" bioelectronic implant”為題發(fā)表在Applied Materials Today（Applied Materials Today, DOI:10.1016/j.apmt.2022.101576）上。陜西科技大學(xué)羅曉民教授為本論文的第一作者及通訊作者，共同通訊作者為陜西科技大學(xué)劉新華副教授。
6.基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的智能“組織電池”用于綜合軟骨治療
目前，軟骨缺損治療如軟骨移植、關(guān)節(jié)內(nèi)注射治療、軟骨組織工程技術(shù)需要較長的修復(fù)期，且存在的“黑箱”狀態(tài)阻礙軟骨狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測。本研究制備的智能“組織電池”由自發(fā)電納米發(fā)電機(jī)（TENG）和軟骨支架兩部分組成。該軟骨“組織電池”兼具自供電、高靈敏度、可植入、抗干擾等特點(diǎn)。基于接觸分離機(jī)制的TENG在常見關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)壓力范圍內(nèi)（0?1.8 MPa）具有較高的靈敏度（52.5 V MPa?1），使“組織電池”能夠在“黑箱”中原位檢測軟骨修復(fù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。此外，體外和體內(nèi)綜合實(shí)驗(yàn)表明，“組織電池”將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過電刺激的手段加速支架內(nèi)的軟骨細(xì)胞增殖，從而縮短軟骨修復(fù)周期。另外，該“組織電池”具有優(yōu)良的生物相容性和可調(diào)控的生物降解性，在軟骨修復(fù)過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和穩(wěn)定性，且在修復(fù)結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)可完全降解并被人體代謝。該“誘導(dǎo)組織再生—修復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測”一體化“組織電池”可用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，有利于減輕軟骨缺損患者的疼痛和治療費(fèi)用，可作為新型的生物電子植入材料。
圖6 組織電池的微觀結(jié)構(gòu)和綜合功能示意圖
相關(guān)成果以“Smart nanoengineered electronic-scaffolds based on triboelectric nanogenerators as tissue batteries for integrated cartilage therapy”為題發(fā)表在Nano Energy（DOI：10.1016/j.nanoen.2022.108158）上。陜西科技大學(xué)博士后岳歐陽為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院王學(xué)川教授和劉新華副教授。
7.自供電可植入“組織電池”的電化學(xué)生物材料
當(dāng)前，隨著生活水平的提高，人們更加重視全面的疾病預(yù)防和保健。與電化學(xué)材料集成的自供電植入“組織電池”對(duì)于疾病的預(yù)防、診斷、治療、術(shù)后治療和保健至關(guān)重要。我們提出了“組織電池”的新概念，即自供電組織電池—SPTB。SPTB是基于電活性生物材料的柔性自供電植入系統(tǒng)或平臺(tái)，并作用于生物組織的界面?；谏矬w在生命活動(dòng)中的電現(xiàn)象，用于促進(jìn)組織修復(fù)的SPTB越來越受到人們的關(guān)注。SPTB不但具有生物材料卓越的生物相容性，而且與歷史悠久的電刺激療法相結(jié)合，能有效促進(jìn)組織恢復(fù)，在疾病治療與愈合等方面非常有前景。然而，由于人們?nèi)狈?duì)SPTB的綜合認(rèn)知評(píng)價(jià)，阻礙了SPTB的臨床應(yīng)用研究。本綜述對(duì)應(yīng)用于生命和健康方面的SPTB進(jìn)行了全面降解。首先，介紹了電化學(xué)材料及其在不同種類SPTB中的全面應(yīng)用，并對(duì)其在疾病預(yù)防、診斷、精準(zhǔn)治療和個(gè)性化健康監(jiān)測應(yīng)用方面進(jìn)行了比較。然后，討論了SPTB促進(jìn)組織修復(fù)的潛在機(jī)制。最后，總結(jié)了未來研究面臨的挑戰(zhàn)，并提出了具體的研究建議。綜上所述，本文綜述了SPTB在各種醫(yī)療應(yīng)用中的意義和多功能性，對(duì)SPTB的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。
圖7 SPTB在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用
相關(guān)成果以“Electrochemical Biomaterials for Self-powered Implantable “Tissue Batteries”: A Tutorial Review”為題發(fā)表在Nano Research（DOI：10.1007/s12274-022-5191-8）上。陜西科技大學(xué)博士生鄭漫輝為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院王學(xué)川教授和劉新華副教授。
（核稿：劉國棟 編輯：劉倩）
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