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南科大微流控-生物材料实验室在柔性电子领域取得系列进展

2022-03-21

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《AFM》:湿粘弹性体用于液态金属基适形表皮电子器件

       可穿戴电子设备越来越多地用于不同情况下的健康监测和治疗。然而,很少有设备能在运动和淋浴后(出汗、变形、摩擦)与皮肤粘附而不变形。近日,南方科技大学微流控-生物材料实验室与国家纳米科学中心施兴华教授等人合作提出了一种简便的方法,利用聚乙二醇(PEG)混合聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶粘剂(PPA)制备金属聚合物导体(MPC),将镓基液态金属合金电路封装为表皮电子器件。在PDMS预聚物中加入PEG可以得到比PDMS本身承受更大变形的、更柔软的湿粘弹性体。柔软的可粘接电子产品可与皮肤适形粘接达2天以上。实验证明,这些电子器件能够满足运动和淋浴48小时穿戴时的运动检测、电生理信号检测和皮肤伤口愈合的需求。

       作者预计这种具有优良生物安全性的湿粘电子产品将得到广泛应用,解决医用胶粘剂和人机界面存在的问题。相关工作以“Wet-Adhesive Elastomer for Liquid Metal-Based Conformal Epidermal Electronics”为题发表在3月18日的《Advanced Functional Materials》。

图1. PPA和PPA- MPC电子设备示意图

图2. PPA的机械性能及附着力

【文章要点】

一、PPA的制备及表征

       为防止溶剂不受控制的蒸发所造成的缺陷,提高弹性体的力学性能,选用了分子量分别为200、400和600的室温液态PEG寡聚体。研究者研究了添加不同比例PEG低聚物的粘接剂的模量(图2a)、断裂伸长率(图2b)和对前臂皮肤的粘接力(图2c)。当相对量相同时,PEG-600组的模量较低,断裂伸长率较高,附着力较高。最大添加量时,弹性体的模量和粘结力似乎相同,分别为30 kPa和0.9 N cm−1。

       将PPA贴附于前臂皮肤,剥离后进行皮肤附着试验。将刚固化的PPA和放置14 d的PPA分别贴附在前臂皮肤上,并测试各组剥离力,以测试室温下PPA粘附性能的保留效率。刚固化的PPA的剥离力为0.87 N/cm,两周前固化的PPA的剥离力为0.54 N cm−1(图2e)。测试了不同附着时间下PPA的剥离力。48 h后,附着力从0.9 N cm−1略微下降到0.63 N cm−1(图2f)。最后进行了循环粘附剥落试验。粘连剥离40次后,粘连力仍大于0.5 N cm−1,表明PPA连续剥离后仍可作为表皮粘接剂使用(图2g)。

图3. PPA-MPC电子器件性能及PPA-MPC粘接应变传感器的运动检测

二、用于运动检测的PPA-MPC粘接式应变传感器

对于应力-应变曲线,PPA-MPC电子器件显示出比PDMS-MPC明显更低的模量和更高的伸长率(图3a)。测试了不同应变下电阻的变化,应变传感器的应变分别为20%、40%、60%、80%,具有较高的精度和线性度(图3b),显示了其在连续精确传感方面的巨大潜力。该应变传感器被拉伸至50%,循环1000次,以表征其耐久性。显然,它可以承受这种连续的变形,并且在整个过程中保持一个稳定的电阻(图3c),这意味着应变传感器能够长期的运动监测。将应变传感器连接到肘部和膝盖皮肤上,并以不同的速度连续弯曲(图3d,g)。该自粘式应变传感器能够保持稳定的粘接,变形与皮肤保持一致。36小时后,再次执行相同的任务。在这段时间里,除了日常工作外,研究者做了一个小时的运动,洗了两次30分钟的淋浴。结果显示,佩戴36小时后,应变传感器仍能适形附着在皮肤上,并实时显示关节的运动(图3e,f,h,i)。

       原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200444

 

《ACS Nano》:基于纳米纤维的柔性电子导管用于体内清除循环肿瘤细胞

       清除外周血中与肿瘤转移和复发密切相关的循环肿瘤细胞(CTCs)有助于降低肿瘤复发和转移的概率。然而,传统的旨在杀死CTCs的治疗方法往往会对正常的血细胞、组织和器官造成损伤。近日,南方科技大学微流控-生物材料实验室报道了一种柔性电子导管,它可以通过不可逆电穿孔(IRE)高效地捕获和杀死CTCs。柔性电子导管由纳米纤维(NFs)与液态金属聚合物导体(MPC)电极组装而成。用上皮细胞粘附分子(EpCAM)抗体修饰NFs,以提高特异性生物识别和细胞粘附能力。导管可反复筛查全身血液,纳米纤维上的EpCAM抗体可使CTCs富集到导管表面。利用高比表面积,这种基于NFs的导管在CTCs中的捕获效率比以前报道的研究高25倍。此外,每mm2导管非特异性捕获的白细胞数量小于10个,而原来的4-11 × 106 mL-1全血数量较多,显示了柔性电子导管良好的特异性。柔性和生物相容性的MPC电极对兔模型中捕获的CTCs具有100%的杀灭效率。此外,未见明显血液学指标及血管及主要器官形态变化,说明该电子导管具有良好的生物相容性。这种功能性电子导管为提高临床肿瘤治疗效率提供了一种新的替代策略。相关工作以“Flexible Electronic Catheter Based on Nanofibers for the In Vivo Elimination of Circulating Tumor Cells”为题发表在3月18日的《ACS Nano》。

方案1. 使用柔性电子导管在体内富集和消除CTCs的示意图

图2. 治疗用导管对癌细胞的体外捕获和杀伤性能

【文章要点】

一、柔性电子导管的体外试验

       根据研究者的设计,具有微米孔隙的网络结构可以扩大比表面积,使CTCs有很高的捕获概率(图2A)。最终结果表明,MPC/ NF导管可有效捕获55.2%的HepG2细胞。利用高表面积、高孔隙率和靶区富集的优点,NF基导管用于CTCs的捕获效率比之前报道的高25倍(图2D,E)。此外,研究了CTCs致死的电压。HepG2细胞在不同电压(50、100、200 V)作用10 ms。CCK-8染色分析显示,随着电压升高,细胞活力下降,在200 V时细胞几乎死亡(图2F)。annexin V-FITC/碘化丙啶染色分析显示,IRE引起的凋亡是HepG2细胞死亡的主要原因(图2G)。这些结果证实了本方法的可行性,并表示了IRE作用在临床CTC治疗中的潜在应用。

图3. MPC/ NF导管体内CTC捕获能力的评价

二、柔性电子导管的体内试验

       研究者建立了基于MPC功能化和NF功能化静脉留置导管的体内CTC清除系统(图3A、B)。使用新西兰兔模型进一步测试性能。捕获的HepG2细胞经免疫染色鉴定为DAPI+/ PE-CD45 - / FITC-CK +。在1、2、3只家兔上分别捕获HepG2细胞2580、2192和1908个。无EpCAM特异性抗体的导管作为对照;分别从4、5和6只家兔中捕获18、32和48个HepG2细胞(图3C、D)。HepG2的捕获效率比之前报道的高11倍。MPC/NF导管的非特异性捕获WBCs的数量小于10个/mm2,而原来MPC/ NF导管的全血数量为4-11 × 106 mL-1,显示了MPC/NF导管的良好特异性。HepG2细胞富集后,在电极上施加200 V电压10 ms进行细胞杀伤。AO和PI成本法显示,MPC/NF导管可以使IRE杀死所有捕获的细胞,杀伤效率为100%(图3E,F),表明具有良好的体内清除CTCs能力。

       原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09807

 

本文转载自:高分子科学前沿公众号

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