本文与 MIT News 合作发表。
麻省理工学院的工程师设计出了或许是未来创可贴的产品：一种黏性、可拉伸、类凝胶状的材料，可集成温度传感器、LED灯及其他电子元件，以及微小的药物储库和通道。这款“智能伤口敷料”会根据皮肤温度的变化释放药物，并可设计为在药物例如即将耗尽时发光提示。
当敷料贴在肘部或膝盖等高度灵活的部位时，它会随身体一起拉伸，使嵌入的电子元件保持功能正常且完好无损。
这一设计的关键，是由麻省理工学院机械工程系 Robert N. Noyce 职业发展副教授 Xuanhe Zhao 设计的水凝胶基质。Zhao 在 本月早些时候详细介绍过的这种水凝胶，是一种橡胶状材料，主要由水构成，设计用于与金、钛、铝、硅、玻璃和陶瓷等表面牢固结合。
该团队在新近发表于期刊 Advanced Materials， 的论文中报告称，他们将导线、半导体芯片、LED灯和温度传感器等多种电子元件嵌入水凝胶中。Zhao 表示，涂覆水凝胶的电子器件可能不仅用于皮肤表面，也可用于体内，例如作为植入式、具有生物相容性的血糖传感器，甚至柔软、顺应性好的神经探针。
“电子元件通常坚硬干燥，而人体柔软湿润。这两类系统的特性截然不同，”Zhao 说。“如果希望让电子器件与人体紧密接触，用于健康监测和药物输送等应用，那么使电子器件柔软、可拉伸，以适应人体环境就非常必要。这正是可拉伸水凝胶电子器件的初衷。”
Zhao 在该论文中的合著者包括研究生 Shaoting Lin、Hyunwoo Yuk、German Alberto Parada，博士后 Teng Zhang，来自三星显示器（Samsung Display）的 Hyunwoo Koo，以及来自休斯顿大学的 Cunjiang Yu。
牢固且可拉伸的粘结
典型的合成水凝胶脆性大、几乎无法拉伸，且与其他表面的粘附力较弱。
“目前它们通常被用作可降解生物材料，”Zhao 说。“如果想用水凝胶制造电子器件，就需要考虑水凝胶及其界面的长期稳定性。”
为克服这些挑战，他的团队提出了一种制备坚固水凝胶的设计策略：将水与少量精选生物聚合物混合，制成柔软、可拉伸的材料，其刚度为 10 至 100 千帕，大致相当于人体软组织的范围。研究人员还设计了一种方法，使水凝胶能够与各种无孔表面牢固结合。
在这项新研究中，研究人员应用其技术展示了水凝胶的多种用途，包括用其封装钛线，形成透明、可拉伸的导体。实验中，他们多次拉伸该封装导线，发现其导电性保持恒定。
Zhao 还制作了一个嵌入水凝胶薄片中的 LED 灯阵列。将其贴附于身体的不同部位时，即使在膝盖和肘部等高度可变形区域被拉伸，该阵列仍能继续工作。
多功能基质
最后，研究团队将多种电子元件嵌入水凝胶薄片中，制成“智能伤口敷料”，其中包含等距排列的温度传感器和微型药物储库。研究人员还通过嵌入图案化管道或在基质中钻出微孔，为药物在水凝胶中流动开辟通道。他们将敷料覆于身体的不同部位，发现即使被高度拉伸，敷料仍能持续监测皮肤温度，并根据传感器读数释放药物。
Yuk 表示，该技术的一个直接应用可能是作为可拉伸、按需使用的烧伤或其他皮肤疾病治疗方案。
“这是一种非常多功能的基质，”Yuk 说。“这里的独特之处在于，当传感器检测到异常变化，例如体温异常升高时，设备可以按需将药物释放到特定位置，并从其中一个储库中选择特定药物，该药物可在水凝胶基质中扩散，实现长时间持续释放。”
进一步来看，Zhao 设想水凝胶将成为一种理想的、具有生物相容性的载体，用于在体内输送电子器件。他目前正在探索水凝胶作为血糖传感器及神经探针载体的潜力。植入体内的传统血糖传感器通常会引发免疫系统的异物反应，免疫系统会用致密纤维将传感器包裹，因此这些传感器往往需要频繁更换。虽然已有多种水凝胶被用于包覆血糖传感器以防止此类反应，但这些水凝胶脆性大，且在运动中容易脱落。Zhao 表示，其团队正在开发的水凝胶-传感器系统可能在长时间内保持稳定且有效。他认为，神经探针也可能适用类似的情况。
“大脑就像一碗果冻，”Zhao 说。“目前，研究人员正在尝试不同的柔软材料，以实现神经器件的长期生物相容性。我们与合作者提议，将坚固水凝胶用作神经器件的理想材料，因为可以将水凝胶设计为具有与大脑相似的力学和生理特性。”
本研究部分由美国海军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及美国国家科学基金会资助。
发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Jennifer Chu 是 MIT News 的特约撰稿人。
图片：一条自粘绷带缠在沃伦·巴菲特的手指上。REUTERS/Lucas Jackson。
