@      MIT赵选贺团队让医疗器械长出软软耐用的水凝胶皮肤

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MIT赵选贺团队让医疗器械长出软软耐用的水凝胶皮肤

  该手段既能够在宏不都雅尺度的具有复杂形状的高分子外观上制备水凝胶皮肤,也能够在微不都雅尺度的具有复杂形状的高分子外观上制备水凝胶皮肤。如图3a所示,吾们在厘米尺寸的“八角桁架”形硅橡胶上均匀制备了一层水凝胶皮肤。并且,如图3b所示,吾们在具有微米级 “沟槽”的硅橡胶微流控芯片上均匀制备了一层水凝胶皮肤。(始末对水凝胶皮肤进走绿色染料的扩散,能够晓畅地望到整个外观被水凝胶皮肤十足遮盖)

  首次定义水凝胶生物电子学 (hydrogel bioelectronics) Chemical Society Review, DOI: 10.1039/c8cs00595h

  首次体系阐述众栽水凝胶添韧(high toughness)的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

  首次实现各栽医疗仪器上的超韧水凝胶涂层  Advanced Healthcare Materials, DOI: 10.1002/adhm.201700520; Advanced Materials, 1807101 (2018)

  首次实现液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

  做过胃肠镜和插过导尿管的人都会晓畅,硬塑料橡胶在人体软软布局中拖动摩擦所带来的不起劲。而且,导尿管等医疗器械外观容易粘附细菌、助长异物。这些题目困扰着全球几千万人。水凝胶软软众水,外观平滑抗菌,是和人体接触的最益界面。可是怎么让各栽医疗仪器,例如导尿管、内窥镜等附上一层有余厚又耐用的水凝胶涂层?该题目不息是医疗仪器和软原料周围的一大挑衅。

  这栽水凝胶皮肤层比橡胶外观要软软很众。对比图4a(橡胶外观弹性模量)和图4b(水凝胶皮肤外观弹性模量),能够望出,水凝胶皮肤的外观弹性模量仅仅只有橡胶外观的约1/70。并且,从宏不都雅上望,水凝胶皮肤基本不会转折橡胶的拉伸模量。这表明该水凝胶皮肤只是转折了橡胶外观的软软性,并异国影响橡胶集体的性能和功能(如图4c)。

  首次挑出水凝胶超韧粘结 (tough adhesion)的机理并实现与各栽原料的超韧粘结 Nature Materials, 15, 190 (2016)

  首次挑出水凝胶抗疲劳 (anti-fatigue)的机理并实现超高抗疲劳水凝胶 Science Advances, in press

  首次体系阐述水凝胶添强 (high strength) 的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

  首次实现超拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

  首次挑出3D打印超韧超弹水凝胶的手段并打印各栽载细胞的超韧超弹水凝胶结构Advance Materials, 27, 4035 (2015)

  首次挑出坚韧水凝胶高弹体聚相符物(hydrogel-elastomer hybrid)并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

  来源:知社学术圈

  首次行使力学失稳得到人造粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

图1。  a水凝胶坚韧粘附的机理; b水凝胶和各栽医用橡胶原料的坚韧粘附;c复杂形状橡胶/塑料成品图1。  a水凝胶坚韧粘附的机理; b水凝胶和各栽医用橡胶原料的坚韧粘附;c复杂形状橡胶/塑料成品图2。 水凝胶皮肤助长机理图2。 水凝胶皮肤助长机理图3。 a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡胶上均匀制备的水凝胶皮肤;b在具有微米级 “沟槽”的硅橡胶微流控芯片上均匀制备的水凝胶皮肤;c薄且较平滑的水凝胶皮肤;d厚且较粗糙的水凝胶皮肤图3。 a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡胶上均匀制备的水凝胶皮肤;b在具有微米级 “沟槽”的硅橡胶微流控芯片上均匀制备的水凝胶皮肤;c薄且较平滑的水凝胶皮肤;d厚且较粗糙的水凝胶皮肤图4。 a橡胶外观弹性模量;b水凝胶皮肤外观弹性模量;c制备水凝胶皮肤前后,橡胶的集体硬度对比;d摩擦系数随压强的转折对比;e摩擦系数随时间的推移对比;f水凝胶皮肤被长时间摩擦前后对比图4。 a橡胶外观弹性模量;b水凝胶皮肤外观弹性模量;c制备水凝胶皮肤前后,橡胶的集体硬度对比;d摩擦系数随压强的转折对比;e摩擦系数随时间的推移对比;f水凝胶皮肤被长时间摩擦前后对比图5。 a, b 抗大肠杆菌实验终局图5。 a, b 抗大肠杆菌实验终局图6。 在分歧商业橡胶/塑料成品上制备水凝胶皮肤图6。 在分歧商业橡胶/塑料成品上制备水凝胶皮肤图7。 水凝胶人机界面图7。 水凝胶人机界面  声明:新浪网独家稿件,未经授权不准转载。 -->

  同时,该手段还能够便捷地对水凝胶皮肤的厚度和粗糙度等进走限制,从而已足分歧的行使需要。吾们仅仅始末在“单体水溶液”中增补/不增补微量链迁移剂(其它工艺十足相反),就能够得到厚度和粗糙度具有隐微区别的水凝胶皮肤(如图3c,d)。

  MIT赵选贺团队在2015年首次挑出了水凝胶坚韧粘附的机理 (图1a Nature Materials15, 190-196 (2016)): 水凝胶本体要有余坚韧和有耗散性,而且水凝胶和黏附物间要有有余强的链接。行使该机理,赵选贺团队在2016年首次实现了水凝胶和各栽医用塑料橡胶原料的坚韧粘附  (图1b Nature Comm 7, 12028 (2016)), 并在2017年首次实现了对浅易形状医疗仪器的坚韧水凝胶涂层 (Advanced Healthcare Materials 6, 1700520 (2017))。可是医疗仪器清淡都有复杂的形状,其内外外观都能够不屈整 (图1c)。 

  行使钻研

  MIT赵选贺团队(http://web.mit.edu/zhaox/www/)永远推动软原料和人机界面科技前沿的发展。比来的收获包括:

  人体器官(例如大脑、脊髓、心脏、肌肉、皮肤等)大众是由水凝胶构成的——软软众水有生物活性。和人体接触的当代机器 (例如导尿管、内窥镜、血管支架、首搏器、电极等)大众是由金属、硅、陶瓷、玻璃、塑料等构成的——强硬干燥无生命。人体和机器间的不相容甚至互相矛盾的原料特性,是影响健康和生命的伟大题目之一。MIT赵选贺团队挑出用水凝胶行为界面更益的融相符人体和机器 (图7)。他们在近期综述《水凝胶生物电子学》(DOI:10.1039/C8CS00595H)中体系定义了水凝胶人机界面的基本原理和原料设计原则,并提出了异日发展的倾向。本做事是水凝胶行为人体和医疗仪器理想界面的例子之一。

  原由该手段不光能够采用光引发手段制备,也能够采用炎引发手段制备。因而,能够在高分子管道的外壁和内壁都均匀地制备水凝胶皮肤,比如图6a所示的医专一肌导管外壁以及图6b所示的商业聚氯乙烯管道的内壁和外壁。该手段还能在很众不规则形状的商业医用管状器械上制备水凝胶皮肤,比如图6c的气囊导尿管。

  首次挑出3D打印铁磁软原料和软机器 Nature, 558, 274 (2018) 

  首次挑出并实现可拉伸生命器件 (stretchable living device) Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 2200 (2017)

  首次挑出并实现可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

  在复杂形状医疗仪器上如何实现软软、耐用和有余厚的水凝胶涂层(图1c)?MIT赵选贺团队和华中科技大学臧剑锋团队配相符给出了应案: 让复杂医疗仪器外观长出一层可控厚度的软软耐用的水凝胶皮肤。论文发外在Advanced Materials上(1807101 (2018)),华中科技大学臧剑锋团队青年教师喻研,MIT博士生Hyunwoo Yuk,German Parada为论文共同第一作者,MIT赵选贺教授为论文通讯作者。

  同时它在水中具有极其卓异的耐摩擦磨损性能。一方面,制备了水凝胶皮肤的PDMS的摩擦系数几乎不会随压强的添大而提高(如图4d)。另一方面,制备了水凝胶皮肤的PDMS的摩擦系数几乎不会随摩擦时间的添长而提高(如图4e)。这主要是原由水凝胶皮肤具有专门卓异的保水性能和抗磨损性能(见图4f)。另外,水凝胶皮肤层还具有专门卓异的抗菌潜力。吾们表明了大肠杆菌极难在水凝胶皮肤外观助长和附着(如图5a,b)。

  该手段能够让市面上买到的医疗仪器外观直接长出软软耐用的水凝胶皮肤,浅易、实用、坦然、高效。另外水凝胶皮肤能够在干燥的状态下蓄积,行使前直接湿润, 不影响凶果。

  机理钻研

  现有的手段例如浸渍涂布法等很可贵到均匀厚度的水凝胶涂层,不适用于医疗仪器内外观和复杂外观。配相符团队挑出了一个崭新的手段。他们将现有的医疗仪器原料 (硅橡胶,聚氨酯,聚氯乙烯,丁腈橡胶,乳胶等)的外观10~100微米始末等离子处理和溶胀排泄变得稀奇亲水。然后让水凝胶在这10~100微米的变性层中助长,形成天然的双网络水凝胶结构 (图2)(注:双网络坚韧水凝胶由Jianping Gong教授挑出,并非本做事原创, Advanced Materials 15,1155,(2003))。双网络水凝胶坚韧有耗散性,同时水凝胶层和医疗仪器间保持了强链接,相符水凝胶坚韧粘附的机理 (图1a Nature Materials 15, 190-196 (2016))。