從尿不濕到智能人造皮膚華人科學家開發出革命性新型材料

麻省理工科技評論2016-07-04 15:45:38

　　DeepTech深科技 麻省理工科技評論傾力打造

　　編者按：以上視頻里展示了一系列炫酷的高新技術，其中一些或許在不久的將來就會出現在我們的生活中。其中包括了智能皮膚、可穿戴電子設備、按需輸送藥物的繃帶、嵌入電路的隱形眼鏡等等。

　　所有這些應用都源於一種新材料——新型水凝膠，它是由麻省理工學院（MIT）的助理教授，趙選賀（Xuanhe Zhao）帶領團隊研發出的。這種新型材料克服了普通水凝膠自然脫水的這一天生「硬傷」，因此這一成果不僅可以增強現有水凝膠產品的使用體驗，還將為水凝膠的應用開闢出一片全新的領域。

　　趙選賀助理教授於2014年9月加入MIT機械工程系。在此之前，他在杜克大學機械工程與材料科學系擔任助理教授。2009年，他在哈佛大學機械工程學院獲得了博士學位。

　　趙教授致力於固體力學、軟材料及仿生設計領域的研究。目前的研究主要集中在三個方面:人造肌肉(介電聚合物和機電)、堅韌軟骨(堅韌及具有生物活性的水凝膠)，以及改造皮膚(功能表面不穩定性和薄膜力學)。

　　趙教授是美國國家科學基金會「早期事業獎」的獲獎者,曾獲美國海軍研究辦公室「青年科學家獎」。

　　

　　什麼是水凝膠？

　　或許水凝膠這個名字對大家來說都很陌生，但是下圖中的尿不濕可能人人都知道，尿不濕里的吸水材料就是水凝膠。

　　

　　關於水凝膠的吸水性到底有多強，下面這張圖可以一目了然。

　　

　　圖片來源：搜狐

　　如此強大到令人髮指的吸水能力從何而來呢？這就要從水凝膠的分子結構說起了。

　　水凝膠是一種互相交聯的含親水基分子高聚物（類似於橡膠）。這些聚合物通常含有羧基（-COO-），一種常見的水凝膠聚合物為聚丙烯酸鈉。

　　

　　聚合物長鏈經常以隨機盤繞的分子存在，但是在缺少鈉離子的環境中，羧基上負離子會相互排斥，長鏈也會隨之解開纏繞。水凝膠充滿水分的奧秘來源於水分子與羧基中氧原子形成的氫鍵。在這種情況下，水凝膠能夠最多吸附自身重量500倍的水分子。超過90%的含水量也讓水凝膠具有了和人體組織一樣的彈性。

　　

　　圖片來源：gcsescience

　　由於兼有柔軟性和彈性，水凝膠有著廣泛地應用範圍，其中之一是作為傷口敷料。被放置在皮膚的創傷處，潮濕的水凝膠能夠起到防止傷口乾燥、感染，緩解疼痛的作用。水凝膠本身不會黏附在皮膚表面，移除時也不會對皮膚造成二次傷害。

　　

　　圖片來源：ASOCORPWound-care

　　當然，還有很多人每天都要使用的隱形眼鏡，水凝膠可能是目前為止唯一可以與我們敏感而濕潤的眼球親密接觸，但又不造成太多不適的材料吧。

　　

　　近年來，隨著人造水凝膠的發展，水凝膠的應用也逐漸拓寬。包括農業汲水，人工造雪，煤炭脫水，人體細胞組織工程。水凝膠柔韌、親水的特性備受關注。但是，有一個問題長期限制了水凝膠相關應用的進一步發展，那就是水凝膠暴露在空氣中時，會不斷蒸發脫水，最終逐漸乾癟變硬而失去它的優良性質，因此，如何一直保持水凝膠柔韌的特性成了科學家亟待攻克的難題。

　　新型「不幹水凝膠」問世

　　來自MIT機械工程系的助理教授趙選賀及他帶領的團隊攻克了關於水凝膠的這一技術難題，然而研發之路卻並非一帆風順。

　　早在去年12月，趙教授就曾經發表了用以粘合金屬、陶瓷、玻璃等堅硬固體表面的水凝膠的相關成果。基於此技術，研究人員在水凝膠里嵌入電子感測器，製成「智能繃帶」。然而令他們失望的是，水凝膠最終脫水完全乾掉，失去了彈性。

　　最近，趙教授的團隊捲土重來，他帶領的工程師團隊找到了一種防止水凝膠脫水的方法。用這種技術可以製造耐用的隱形眼鏡，可伸縮的微流計，柔性生物電子產品，甚至是人造皮膚。

　　

　　「不幹水凝膠」（左）和普通水凝膠（右）的空氣暴露實驗對比

　　研究人員發現在水凝膠的表面覆蓋的一層薄薄的彈性體層（彈性體 elastomer，泛指橡膠、硅樹脂之類的部分交聯的高分子材料。）可以發揮「鎖水屏障」的作用，這層屏障可以保持水凝膠的水分和柔性，同時使它更加堅固。研究論文發表在了6月27日的《自然通訊》（Nature Communications）上。

　　MIT的研究人員展示不會變乾的水凝膠：

　　

　　趙教授說，他們的團隊從人體的皮膚結構獲得了靈感。人體皮膚有表皮層緊緊附在著內部的真皮上，用以保護皮層內部神經和毛細血管。雖然表皮層談不上刀槍不入，但是防止人體肌肉和其他器官的水分流失還是綽綽有餘了。

　　

　　圖片來源：Epidermis-wiki人體上表皮和真皮結構

　　因此這種「不幹水凝膠」在結構上與人體皮膚此非常相似，但是彈性體和水凝膠的連接處比人體表皮真皮粘合緊密數倍。該團隊還構建了一個物理模型，以量化指導不同水凝膠彈性體粘合組合。

　　

　　除此之外，研究人員正在探索這種新型水凝膠的潛在應用領域。在這篇論文中，他們展示了在水凝膠中印出微小通道的技術，就像人體的血管一樣。他們也在材料中嵌入複雜的粒子線路來模仿人體的神經網路。「我們最終希望實現合成人體皮膚，甚至讓機器人擁有柔軟靈活具有生物功能的皮膚。」趙教授說道。

　　

　　水凝膠的防水皮膚

　　科學家們研究如何防止水凝膠脫水並不是什麼新課題。曾有一些科學家曾提出在水凝膠中添加鹽來防止脫水，但趙教授認為，這會讓水凝膠失去生物相容性甚至對人體組織有毒害。因此，只有同時兼具良好伸展性和防水性的材料才是明智之選。

　　很快，他們發現了彈性體這種理想的覆蓋層。在搜遍了各種化學粘合劑的文獻后，他們發現了一種受紫外線激發的粘合劑---苯甲酮。

　　他們首先將一片薄彈性體層滴入苯甲酮的溶液中，然後將處理過的彈性體包裹住水凝膠置於紫外線的照射中。形成的混合物在乾燥的實驗室環境中放置48小時后，沒有重量變化。這意味著水凝膠基本保持住了水分。

　　研究人員們也測試了分離兩層材料所需要的剝離力，高達1000J/m2的剝離力比分離人體上表皮所需的力還要高得多。趙教授說道：「這比人體皮膚還要堅韌，我們甚至還能將材料拉神至7倍的長度。」

　　不可限量的未來

　　對於趙教授的團隊來說，不幹的水凝膠只是研究的開始，他們進一步設計出了在水凝膠彈性體混合物里刻出微導管模仿人體血管網路的方法。只需把彈性體置於硅晶圓上用軟光刻刻出導管圖案，其餘步驟與正常混合物相同，就可以得到內部流動不同液體的水凝膠混合物。

　　

　　圖為水凝膠彈性體微流晶元的工藝流程

　　在不久的將來，混合彈性體材料可以被用作微流體繃帶，通過皮膚將藥物輸送進人體。水凝膠彈性體微流晶元用不同微流導管輸送化學藥品，同時在實驗室中，微流晶元展現出了良好的伸縮性。

　　

　　研究團隊還探索了混合材料作為複雜離子迴路的可能性。神經網路就像一個電路，皮膚里的神經將疼和熱的感覺以離子的形式傳到各個感官。水凝膠的大部分是由水構成的，因此本身就是天然的優良導體，離子可以在其中自由移動；彈性體的保護層則正好充當了絕緣體，防止離子出逃，簡直是天作之合。

　　

　　為了能夠傳導離子，混合材料被浸沒在氯化鈉溶液中，然後將材料中間接上一個LED燈。給電路供電，他們能通過離子電流掌控開關一盞LED燈了。

　　

　　沒有使用任何金屬，僅僅用水凝膠就造出了完美的電路，模擬了神經元的功能。在拉伸狀態下，他們仍然可以保持良好的連接性和功能。新型水凝膠給大家展現了美好的前景。

　　團隊的下一步就是豐富混合材料的應用。這其中包括可穿戴電子設備，按需輸送藥物的繃帶，和嵌入電路的隱形眼鏡。如趙選賀教授所說「我們正在一步一步的拓展水凝膠的工具箱。」

　　目前所有的應用都處在實驗室階段，趙教授的團隊還沒有將新型水凝膠投入實際應用。水凝膠和彈性體各自的神奇物理化學特性，讓混合材料具有更加豐富的應用。

　　我們甚至可以想象，智能人造皮膚可以為人體健康監控、病原體感知和藥物輸送提供幫助，但是這也需要更多交叉學科的共同合作。

　　參與：段鯨魚