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来源：高分子科学前沿
随着生物集成电子技术在可穿戴电子、机器人、电子皮肤、人机接口和植入式电子领域的日益普及，电子学正迅速与生物学结合。尽管集成电路技术的能力和小型化的发展迅速，但生物集成电子学中关于力学和生物学特性的设计仍然十分有限。因此，开发一种新型电子弹性体来同时模拟皮肤的力学性能（非线性粘弹性、韧性、柔软性和可拉伸性）和生物学性能（细胞相容性、生物降解性）仍然是一个挑战。
近期，东华大学游正伟教授设计并合成了脲基嘧啶酮（UPy）修饰的聚癸二酰甘油二酯，制备了具有物理氢键和共价交联杂化交联网络的弹性体。通过最佳氢键数量的调控，该材料的韧性可以达到共价交联PSeD弹性体的11倍，强度是其3倍。此外，该弹性体除了表现出与人体皮肤类似的力学性能（杨氏模量：0.64±0.10 MPa；抗撕裂能：3670±86.6 J/m2），还具有优异的细胞相容性、生物降解性。最后，作者设计并制造了基于微结构PSeD-U介电元件的高灵敏度压电传感器，展示了其在生物集成电子领域的潜力。
图1、类皮肤PSeD-U弹性体的示意图及性能。a 具有物理和共价复合交联结构的PSeD-U弹性体示意图。b 将旋涂得到超薄PSeD-U20膜（70 μm厚）附着在人体皮肤上，通过拉伸、压缩等过程表明该材料具有很好的顺应性，标尺=10 mm。c 以弹性体样品PSeD-U20-12h为代表的PSeD-U弹性体具有优异的可拉伸性能，可以被拉伸至原始长度的5倍，标尺=10 mm。d 由于高强、高韧的特性，PSeD-U20-12h弹性体（40 mg）能挂住100 g的重物。为了证实该类材料具有类皮肤的特性，作者首先通过化学交联密度的调控选定与皮肤具有近似模量（0.42-0.75 MPa）的样品PSeD-U20-12h为研究基础。进一步，通过调控氢键的密度（UPy基团含量），研究发现：可以在保持杨氏模量恒定的情况下，得到拉伸强度（0.73±0.10 MPa）、最大形变（509±24%）的样品PSeD-U20-12h。作者根据不同的变形范围将应力-应变曲线分为三个区域：在低应变(区域i)，PSeD-U20-12h弹性体表现出与无氢键的PSeD-12h弹性体相似的模量；随着应变的增大，氢键解离以耗散机械能，区域ii的应变-应力曲线对应的斜率小于区域i；而在大应变(区域iii)下，氢键解离可能达到饱和，主要贡献的是共价交联网络，与区域ii相比，区域iii的模量迅速增加。
实验证明这种具有自硬特性的非线性应力-应变行为与人类皮肤极其相似（如图2）。此外，弹性体PSeD-U20-12h的抗撕裂能（3670±86.6 J/m2）与皮肤（3600 J/m2）相当。
图2、类皮肤PSeD-U弹性体的机械性能。a 共价交联密度相同的情况下，改变氢键密度测得的PSeD-U-12h弹性体应力-应变曲线。b 样品拉伸至5%形变后900 s内的应力松弛曲线。C 应力随应变的关系图，根据应变区域的不同可将应力-应变曲线分为三部分。d 形变30%的循环拉伸测试。e 不同间隔时间下，300%应变加载-卸载的应力-应变曲线。f 样品PSeD-12h与PSeD-U20-12h撕裂能的比较。包括生物降解性和生物相容性等的生物特性是人类皮肤的重要特征，也是对类皮肤弹性体和可穿戴电子产品的高度要求。作者进行了体外酶解实验和NIH3T3成纤细胞的活/死检测，如图3所示，结果显示该材料具有优异的生物降解性和生物相容性。
图3、PSeD-U弹性体的降解行为及细胞相容性。a 37 oC下，PSeD和PSeD-U弹性体在脂肪酶DPBS（0.1 M）中的体外酶解。b 不同降解时间后（0,2,4,6,8 h），应变200%时，PSeD-U20-12h的拉伸强度，表明力学强度的逐步降低。c NIH3T3成纤维细胞在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20活/死检测中的图像。表面活细胞数量多(绿色)，死细胞少(红色)，说明PSeD-U具有良好的生物相容性(放大倍数=×100;比例尺= 100μm)。d NIH3T3成纤维细胞培养在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20弹性体上的MTT分析。同一时间点不同材料间无显著性差异。与前一时间段比较，差异有统计学意义标注为*p < 0.05或**p < 0.01。为了演示PSeD-U弹性体在生物集成电子领域的应用，作者制备了一种基于微结构PSeD-U20-12h弹性体介电膜的压电传感器（如图4）。该传感器在低压时(p <2 kPa)的灵敏度为0.16 k Pa−1，高压时(2 < p < 10 kPa)的灵敏度为0.03 kPa−1。此外，在循环压缩试验中，它表现出良好的稳定性和较小的迟滞性。
图4、基于PSeD-U弹性体的压电式传感器的示意图及表征。a 压电式传感器的结构示意图。b PSeD-U20-12h弹性体介电层的微结构SEM图。c 压电式传感器的压力-响应图。d 压力为0.84 kPa，传感器的响应时间。插图显示压力传感器对压力释放的响应时间。e 压力传感器在不同压力下的动态响应，频率为0.08 Hz。f 压力传感器在不同频率下的动态响应，压力为2.86 kPa。PSeD-U弹性体是首个从力学、生物学特性模拟皮肤非线性力学行为的例子，具有柔软性、高强度、韧性、抗撕裂性以及良好的生物相容性和生物降解性。这项工作为以一种新型、简单而强大的材料设计方式来模仿天然软组织复杂的机械性能指明了方向。
图2、类皮肤PSeD-U弹性体的机械性能。a 共价交联密度相同的情况下，改变氢键密度测得的PSeD-U-12h弹性体应力-应变曲线。b 样品拉伸至5%形变后900 s内的应力松弛曲线。C 应力随应变的关系图，根据应变区域的不同可将应力-应变曲线分为三部分。d 形变30%的循环拉伸测试。e 不同间隔时间下，300%应变加载-卸载的应力-应变曲线。f 样品PSeD-12h与PSeD-U20-12h撕裂能的比较。包括生物降解性和生物相容性等的生物特性是人类皮肤的重要特征，也是对类皮肤弹性体和可穿戴电子产品的高度要求。作者进行了体外酶解实验和NIH3T3成纤细胞的活/死检测，如图3所示，结果显示该材料具有优异的生物降解性和生物相容性。图3、PSeD-U弹性体的降解行为及细胞相容性。a 37 oC下，PSeD和PSeD-U弹性体在脂肪酶DPBS（0.1 M）中的体外酶解。b 不同降解时间后（0,2,4,6,8 h），应变200%时，PSeD-U20-12h的拉伸强度，表明力学强度的逐步降低。c NIH3T3成纤维细胞在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20活/死检测中的图像。表面活细胞数量多(绿色)，死细胞少(红色)，说明PSeD-U具有良好的生物相容性(放大倍数=×100;比例尺= 100μm)。d NIH3T3成纤维细胞培养在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20弹性体上的MTT分析。同一时间点不同材料间无显著性差异。与前一时间段比较，差异有统计学意义标注为*p < 0.05或**p < 0.01。为了演示PSeD-U弹性体在生物集成电子领域的应用，作者制备了一种基于微结构PSeD-U20-12h弹性体介电膜的压电传感器（如图4）。该传感器在低压时(p <2 kPa)的灵敏度为0.16 k Pa−1，高压时(2 < p < 10 kPa)的灵敏度为0.03 kPa−1。此外，在循环压缩试验中，它表现出良好的稳定性和较小的迟滞性。图4、基于PSeD-U弹性体的压电式传感器的示意图及表征。a 压电式传感器的结构示意图。b PSeD-U20-12h弹性体介电层的微结构SEM图。c 压电式传感器的压力-响应图。d 压力为0.84 kPa，传感器的响应时间。插图显示压力传感器对压力释放的响应时间。e 压力传感器在不同压力下的动态响应，频率为0.08 Hz。f 压力传感器在不同频率下的动态响应，压力为2.86 kPa。PSeD-U弹性体是首个从力学、生物学特性模拟皮肤非线性力学行为的例子，具有柔软性、高强度、韧性、抗撕裂性以及良好的生物相容性和生物降解性。这项工作为以一种新型、简单而强大的材料设计方式来模仿天然软组织复杂的机械性能指明了方向。此外，文中涉及的以多功能酸引发环氧化合物开环聚合及其功能化的合成路线可用于多种分子结构和相互作用。这一策略将激发一系列仿生材料的广泛应用，如可穿戴电子设备、仿生传感器、医疗植入物、组织工程支架、人机接口和软机器人。
来源：Polymer-science 高分子科学前沿
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