ACS AMI | 超细纤维用于植入式电化学致动器

来源：材料前沿科技

多功能微纤维已被广泛研究用于各种应用，包括电子纺织品，柔性电子设备，人造肌肉，植入式医疗设备和微致动器。其中，基于微纤维的、可以在人体的生物环境中操作的致动器的开发，对于诸如手术机器人和致动导管的生物医学应用是至关重要的。为了实现基于微纤维的致动器，需要具有可靠机械和电性能的微纤维。此外，微纤维与组织之间的接触，使得微纤维的生物相容性对于它们在人体内的安全运作具有重要作用。

基于碳纳米管（CNT）的混合物或复合材料已经成为制造微致动器的合适选择，因为它们在生物环境中具有显著的机械和电学性质，而且不需要使用细胞毒性电解质。然而，由于CNT之间的弱相互作用，基于CNT的微纤维致动器具有滞后、短寿命周期和低机械稳定性等缺点。当机械载荷施加到基于CNT的微纤维时，CNTs容易发生滑动。为了克服这种行为，许多研究尝试使用各种聚合物粘合剂，但却不得不牺牲导电性。总而言之，迄今仍缺乏功能强大的微致动器，实现在人体内运行而不会出现退化、疲劳或滞后等现象。

透明质酸（HA）可作为生物相容性的表面活性剂和离子导电粘合剂，以改善单壁碳纳米管（SWCNT）的分散，从而增强混合微纤维的机械性能和电性能。但是，HA具有相对低的粘度和机械刚度；此外，人体内的透明质酸酶会降解HA，导致CNT泄漏到身体中。因此，制造具有抗滞后性和抗降解性的生物相容微致动器是一项不小的挑战，并且这对于用于生物液体中的功能致动器来说非常重要。

由中国、韩国、美国等国家的多个大学合作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上的一篇报道，通过开发设计在生物环境中稳定的生物表面活性剂和离子导电粘合剂，设计出适用于人体的柔性且具有机械强度的SWCNT微纤维，解决HA/SWCNT微致动器中滞后、疲劳、可降解和CNT泄漏的问题。报道中综合研究了SWCNT浓度和HA水凝胶交联对HA/SWCNT杂化微纤维的力学性能、电导率、降解速率、电容和微观行为的影响；最后在微纤维表面进行体外细胞生长实验，并在体内植入微纤维，以评估微致动器的细胞相容性和生物相容性。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b02927

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HA/SWCNT微纤维的交联过程的示意图

HA/SWCNT微纤维在拉伸应力下变形机理的示意图

HA/SWCNT微纤维的致动机构的示意图

总之，生物相容性、导电性和坚韧的HA/SWCNT微纤维通过湿纺法成功制备，其中HA作为纺丝溶液中的生物表面活性剂和离子导电粘合剂。HA/ SWCNT微纤维在DPBS溶液中具有优异的导电性、机械性和稳定的致动性。HA链缠绕在SWCNT表面上并将它们分离成单独的纳米管，以增强在HA/SWCNT微纤维和电解质的界面上累积的电荷。HA对致动应变的量子力学和双层静电效应有显著贡献。特别地，HA的交联提供了机械性能、电容和抵抗蠕变的致动稳定性的改进。