近年來，基于水凝膠的柔性傳感器在醫用器材和智能機器人等領域有著廣泛的應用，但其性能常因水分的快速蒸發而受到影響，導致傳感靈敏度和機械耐久度的下降。盡管各研究團隊取得了顯著的進展，如引入有機溶劑、電解質和彈性體復合材料，但仍存在導電性下降、界面錯位以及動態條件下對凝膠內部水分保護不足的問題。

為解決上述問題，南京大學薛斌、曹毅、王煒等受到細胞膜結構的啟發，開發了一種自適應性脂質整合涂層（ALIBC），以增強水凝膠傳感器的保水性。脂質層和長鏈兩親性分子作為致密嵌入涂層和錨定劑，模仿細胞膜中的脂質和膜蛋白的作用，同時水凝膠內的備用脂質可以遷移至表面，防止動態條件下的脫水。該涂層能夠有效防止水凝膠在靜態和動態狀態下的水分蒸發，同時不影響其固有的柔性、導電性和細胞相容性，在48小時的靜態條件和30000次動態負載循環中，分別保持了49.3%和47.3%的水分。帶有ALIBC的水凝膠傳感器在長期動態傳感條件下表現出顯著的性能提升，其電阻變化在10個變溫周期以及48h循環監測人體動作中保持穩定，基線偏移率低于8%。這項工作為精確控制水凝膠基傳感器的保水性而不影響其本征特性提供了一種通用方法。該工作以“Bioinspired Adaptive Lipid-Integrated Bilayer Coating for Enhancing Dynamic Water Retention in Hydrogel-Based Flexible Sensors”為題發表在《Nature Communications》上。文章第一作者為南京大學博士生柏鳴，通訊作者為南京大學薛斌副教授，曹毅教授和王煒教授。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃和等項目的支持。

【自適應性脂質整合涂層ALIBC】

借鑒細胞膜流體鑲嵌模型的理念，作者提出了一種通用的水凝膠保水策略，該策略能夠在不損害其固有機械性能、導電性和生物相容性的前提下，顯著提升水凝膠在靜態和動態下的保水能力。具體而言，作者在水凝膠表面引入了共價鍵合的疏水UA分子，形成初步的保水層，并作為后續脂質雙分子層的錨定結構。作者選用兩種凝膠-液態轉變溫度在室溫左右的脂質（DMPC與HSPC）作為嵌入長鏈UA的動態脂質分子，進一步構建自適應型脂質整合涂層（ALIBC），從而增強了水凝膠保水性。此外，備用脂質以聚集體的形式儲存在水凝膠中，這些脂質可以遷移到應變下凝膠表面脂質層的裂縫中，從而確保在動態條件下有效保持水分。

圖1 自適應脂質整合涂層（ALIBC）及其保水機制示意圖。

【ALIBC在凝膠表面的微觀結構以及內部磷脂遷移】

作者通過對不同水凝膠表面進行共聚焦拉曼化學成像，觀察到ALIBC類似細胞膜的流動鑲嵌結構。光脫色熒光恢復實驗（FRAP）印證了凝膠表面磷脂的流動性受疏水錨定劑分子的影響。為了直接觀察內部和表面脂質的動態遷移，作者使用激光共聚焦熒光顯微鏡的熒光標記輔助三維重建技術來監測磷脂的分布情況，發現在應變條件下內部磷脂向表面涂層裂縫處遷移。

圖2 ALIBC中的流體鑲嵌結構和脂質遷移

【帶有ALIBC的水凝膠的保水、力學以及長期傳感性能】

作者對帶有不同ALIBC的水凝膠進行了靜態及動態條件下的保水性能測試。在48小時的靜態條件和30000次動態負載循環中，水凝膠含水量依然分別維持在49.3%和47.3%。另外，由于DMPC和HSPC動態活性的差異，可以通過調節二者比例控制保水性能，這種策略可以調整特定應用所需的保水特性，例如在潮濕環境中促進傷口愈合，同時避免濕度過高導致潰瘍惡化。在驗證了保水性之后，作者探索了ALIBC對水凝膠機械性能的影響。以往的研究表明，由于內部交聯保水層和水凝膠的機械性能不匹配，會不可避免地影響水凝膠的延展性和模量，而帶有ALIBC的水凝膠由于其疏水分子是以線性長鏈結構鍵合于凝膠表面，并且磷脂層以非共價鍵的形式嵌入，因此不會受到影響。作者最后驗證了其在長期動態傳感測試中的穩定性，在48小時內，帶有ALIBC的水凝膠傳感器在手指和肘部彎曲/伸直時顯示出一致且可分辨的傳感信號，并且基線偏差小于8%，對比對照組有顯著提升。

圖3 帶有ALIBC的水凝膠在靜態和動態條件下的保水性

圖4 帶有不同ALIBC涂層的水凝膠的力學特性

圖5 ALIBC水凝膠基傳感器的長期傳感性能

總結：作者從細胞膜的流體鑲嵌模型中汲取靈感，開發出一種通用的水凝膠保水策略，同時又不影響其固有的拉伸性、導電性和生物相容性，而這一點在傳統方法中往往被忽視。更重要的是，即使在長時間的動態加載循環下，水凝膠內部脂質的遷移也能可逆地修復保水層裂縫，從而維持水凝膠的保水性。這確保了水凝膠傳感器在動態條件下的長期穩定的傳感能力。

審核編輯 黃宇