MIT趙選賀團隊讓醫療器械長出柔軟耐用的水凝膠皮膚

　　來源：知社學術圈

　　做過胃腸鏡和插過導尿管的人都會知道，硬塑料橡膠在人體柔軟組織中拖動摩擦所帶來的痛苦。而且，導尿管等醫療器械表面容易粘附細菌、生長異物。這些問題困擾著全球幾千萬人。水凝膠柔軟多水，表面光滑抗菌，是和人體接觸的最好界面。可是怎麼讓各種醫療儀器，例如導尿管、內窺鏡等附上一層足夠厚又耐用的水凝膠塗層？該問題一直是醫療儀器和軟材料領域的一大挑戰。

　　MIT趙選賀團隊在2015年首次提出了水凝膠堅韌粘附的機理 （圖1a Nature Materials15， 190-196 （2016））： 水凝膠本體要足夠堅韌和有耗散性，而且水凝膠和黏附物間要有足夠強的鏈接。使用該機理，趙選賀團隊在2016年首次實現了水凝膠和各種醫用塑料橡膠材料的堅韌粘附  （圖1b Nature Comm 7， 12028 （2016））， 並在2017年首次實現了對簡單形狀醫療儀器的堅韌水凝膠塗層 （Advanced Healthcare Materials 6， 1700520 （2017））。可是醫療儀器通常都有複雜的形狀，其內外表面都可能不平整 （圖1c）。 

圖1。  a水凝膠堅韌粘附的機理； b水凝膠和各種醫用橡膠材料的堅韌粘附；c複雜形狀橡膠/塑料製品

　　在複雜形狀醫療儀器上如何實現柔軟、耐用和足夠厚的水凝膠塗層（圖1c）？MIT趙選賀團隊和華中科技大學臧劍鋒團隊合作給出了答案： 讓複雜醫療儀器表面長出一層可控厚度的柔軟耐用的水凝膠皮膚。論文發表在Advanced Materials上（1807101 （2018）），華中科技大學臧劍鋒團隊青年教師喻研，MIT博士生Hyunwoo Yuk，German Parada為論文共同第一作者，MIT趙選賀教授為論文通訊作者。

　　現有的方法例如浸漬塗布法等很難得到均勻厚度的水凝膠塗層，不適用於醫療儀器內表面和複雜表面。合作團隊提出了一個全新的方法。他們將現有的醫療儀器材料 （硅橡膠，聚氨酯，聚氯乙烯，丁腈橡膠，乳膠等）的表面10~100微米通過等離子處理和溶脹滲透變得稀疏親水。然後讓水凝膠在這10~100微米的變性層中生長，形成天然的雙網路水凝膠結構 （圖2）（註：雙網路堅韌水凝膠由Jianping Gong教授提出，並非本工作原創， Advanced Materials 15，1155，（2003））。雙網路水凝膠堅韌有耗散性，同時水凝膠層和醫療儀器間保持了強鏈接，符合水凝膠堅韌粘附的機理 （圖1a Nature Materials 15， 190-196 （2016））。

圖2。 水凝膠皮膚生長機理

　　該方法可以讓市面上買到的醫療儀器表面直接長出柔軟耐用的水凝膠皮膚，簡單、實用、安全、高效。另外水凝膠皮膚可以在乾燥的狀態下儲存，使用前直接潤濕， 不影響效果。

　　該方法既可以在宏觀尺度的具有複雜形狀的高分子表面上製備水凝膠皮膚，也可以在微觀尺度的具有複雜形狀的高分子表面上製備水凝膠皮膚。如圖3a所示，我們在厘米尺寸的「八角桁架」形硅橡膠上均勻製備了一層水凝膠皮膚。並且，如圖3b所示，我們在具有微米級 「溝槽」的硅橡膠微流控晶元上均勻製備了一層水凝膠皮膚。（通過對水凝膠皮膚進行綠色染料的擴散，可以清楚地看到整個表面被水凝膠皮膚完全覆蓋）

　　同時，該方法還能夠便捷地對水凝膠皮膚的厚度和粗糙度等進行控制，從而滿足不同的應用需求。我們僅僅通過在「單體水溶液」中添加/不添加微量鏈轉移劑（其它工藝完全一致），就可以得到厚度和粗糙度具有顯著區別的水凝膠皮膚（如圖3c，d）。

圖3。 a在厘米尺寸的「Octet truss」形硅橡膠上均勻製備的水凝膠皮膚；b在具有微米級 「溝槽」的硅橡膠微流控晶元上均勻製備的水凝膠皮膚；c薄且較光滑的水凝膠皮膚；d厚且較粗糙的水凝膠皮膚

　　這種水凝膠皮膚層比橡膠表面要柔軟很多。對比圖4a（橡膠表面彈性模量）和圖4b（水凝膠皮膚表面彈性模量），可以看出，水凝膠皮膚的表面彈性模量僅僅只有橡膠表面的約1/70。並且，從宏觀上看，水凝膠皮膚基本不會改變橡膠的拉伸模量。這說明該水凝膠皮膚只是改變了橡膠表面的柔軟性，並沒有影響橡膠整體的性能和功能（如圖4c）。

圖4。 a橡膠表面彈性模量；b水凝膠皮膚表面彈性模量；c製備水凝膠皮膚前後，橡膠的整體硬度對比；d摩擦係數隨壓強的變化對比；e摩擦係數隨時間的推移對比；f水凝膠皮膚被長時間摩擦前後對比

　　同時它在水中具有極其優異的耐摩擦磨損性能。一方面，製備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦係數幾乎不會隨壓強的增大而升高（如圖4d）。另一方面，製備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦係數幾乎不會隨摩擦時間的增長而升高（如圖4e）。這主要是由於水凝膠皮膚具有非常優異的保水性能和抗磨損性能（見圖4f）。另外，水凝膠皮膚層還具有非常優異的抗菌潛力。我們證明了大腸桿菌極難在水凝膠皮膚表面生長和附著（如圖5a，b）。

圖5。 a， b 抗大腸桿菌實驗結果

　　由於該方法不僅可以採用光引發方式製備，也可以採用熱引發方式製備。所以，可以在高分子管道的外壁和內壁都均勻地製備水凝膠皮膚，比如圖6a所示的醫用心肌導管外壁以及圖6b所示的商業聚氯乙烯管道的內壁和外壁。該方法還能在很多不規則形狀的商業醫用管狀器械上製備水凝膠皮膚，比如圖6c的氣囊導尿管。

圖6。 在不同商業橡膠/塑料製品上製備水凝膠皮膚

　　人體器官（例如大腦、脊髓、心臟、肌肉、皮膚等）大多是由水凝膠組成的——柔軟多水有生物活性。和人體接觸的現代機器 （例如導尿管、內窺鏡、血管支架、起搏器、電極等）大多是由金屬、硅、陶瓷、玻璃、塑料等組成的——堅硬幹燥無生命。人體和機器間的不相容甚至互相矛盾的材料特性，是影響健康和生命的重大問題之一。MIT趙選賀團隊提出用水凝膠作為界面更好的融合人體和機器 （圖7）。他們在近期綜述《水凝膠生物電子學》（DOI：10.1039/C8CS00595H）中系統定義了水凝膠人機界面的基本原理和材料設計原則，並建議了未來發展的方向。本工作是水凝膠作為人體和醫療儀器理想界面的例子之一。

圖7。 水凝膠人機界面

　　MIT趙選賀團隊（http://web.mit.edu/zhaox/www/）長期推動軟材料和人機界面科技前沿的發展。最近的成果包括：

　　機理研究

　　首次系統闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機理 Soft Matter， 10， 672 （2014）

　　首次提出水凝膠超韌粘結 （tough adhesion）的機理並實現與各種材料的超韌粘結 Nature Materials， 15， 190 （2016）

　　首次系統闡述水凝膠增強 （high strength） 的機理 Proceedings of the National Academy of Sciences， 114， 8138 （2017）

　　首次提出水凝膠抗疲勞 （anti-fatigue）的機理並實現超高抗疲勞水凝膠 Science Advances， in press

　　首次定義水凝膠生物電子學 （hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review， DOI： 10.1039/c8cs00595h

　　首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer hybrid）並實現不幹水凝膠 （anti-dehydration hydrogel） Nature Communications， 7， 12028 （2016）

　　首次提出3D列印超韌超彈水凝膠的方法並列印各種載細胞的超韌超彈水凝膠結構Advance Materials， 27， 4035 （2015）

　　首次提出3D列印鐵磁軟材料和軟機器 Nature， 558， 274 （2018） 

　　應用研究

　　首次提出並實現可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28， 4497 （2016）

　　首次實現液壓水凝膠驅動器和機器人 Nature Communications， 8， 14230 （2017）

　　首次實現超拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials， 28， 10244 （2016）

　　首次實現各種醫療儀器上的超韌水凝膠塗層  Advanced Healthcare Materials， DOI： 10.1002/adhm.201700520； Advanced Materials， 1807101 （2018）

　　首次提出並實現可拉伸生命器件 （stretchable living device） Proceedings of the National Academy of Sciences， 114， 2200 （2017）

　　首次應用力學失穩得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences， 115， 7503 （2018）

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