顆粒在線訊：機器人、皮膚附著設(shè)備和假肢領(lǐng)域?qū)﹄娮悠つw（e-skin）的需求日益增長，這激發(fā)了研究人員開發(fā)各種尖端技術(shù)以使電子皮膚具有類似皮膚的感官能力和可控的機械性能。不幸的是，具有生物相容性的電子皮膚為實際的皮膚應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。盡管目前存在不同種類的合成材料報道，但仍有強烈的愿望探索生物相容性電子皮膚材料。作為皮膚的重要組成部分，蛋白質(zhì)已被證明可通過復(fù)雜的塑化或碳化預(yù)處理制造具有可調(diào)節(jié)機械行為和生物相容性的電子皮膚。然而，含有蛋白質(zhì)的電子皮膚的設(shè)計依然處于起步階段，因為精確控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以獲得可調(diào)節(jié)的機械性能和自愈能力相當(dāng)復(fù)雜。

鑒于此，復(fù)旦大學(xué)葉明新教授和沈劍鋒教授課題組提出了一種簡單的策略，即通過結(jié)合共晶鎵銦合金（EGaIn）開發(fā)混合麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)來制備具有改進(jìn)機械性能的可自我修復(fù)的電子皮膚（E-GES）。麩質(zhì)和EGaIn的獨特組合成功地創(chuàng)造了一個強大的麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，具有更高的強度和韌性。值得注意的是，獲得的麩質(zhì)基材料不僅具有優(yōu)異的自愈性和拉伸性（>1600%），而且還具有促進(jìn)皮膚細(xì)胞增殖的能力。最終制備的電子皮膚具有生物相容性和可生物降解性，可以感知不同尺度的人體運動（手指彎曲、膝蓋運動以及呼吸等）引起的應(yīng)變變化。這項工作不僅為開發(fā)更多用于設(shè)計類似人體皮膚的蛋白質(zhì)電子皮膚提供了深刻見解，而且還為使用其他蛋白質(zhì)（如明膠和蛋清蛋白）以及其他無機材料（如MXenes，碳納米管和銀納米纖維）進(jìn)一步制備所需功能的電子皮膚開辟了道路。相關(guān)工作以“Liquid metal-tailored gluten network for protein-based e-skin”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

E-GES的制備、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

基于EGaIn/麩質(zhì)的電子皮膚（E-GES）是通過將面筋與EGaIn分散的溶液混合，加入少量NaCl（2.8 wt%E-GES）并揉捏來制備的，如圖1所示。據(jù)谷蛋白中EGaIn的質(zhì)量比，獲得的E-GES樣品被命名為1%，3%，5%和10%，其中不添加EGaIn的樣品作為對照表示為0%。EGaIn通過分子間EGaIn-SH協(xié)調(diào)鍵的構(gòu)建被成功引入麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而有助于麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整。E-GES可以很容易地用手拉伸并模塑成完全不同的形狀，表明它能夠很好地粘附在不規(guī)則的體表上。E-GES的高拉伸性不僅使其適用于皮膚傳感應(yīng)用，而且還賦予其在機器人技術(shù)中的應(yīng)用潛力。此外，強大的E-GES網(wǎng)絡(luò)可以承受三維空間應(yīng)變變化，通過簡單直觀的機械實驗可以輕松可視化（圖2）。膜形E-GES可充氣成一個尺寸大幾個數(shù)量級的氣球，這對于蛋白質(zhì)基材料或水凝膠狀材料來說是一種驚人的現(xiàn)象。

圖1 E-GES的制備示意圖和基本性能表征

圖2 E-GES的宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的表征

E-GES的自愈能力和應(yīng)變敏感性

眾所周知，當(dāng)小麥面團被撕裂時，面團碎片可以卷起并揉捏，從而形成重塑的面團，而不會出現(xiàn)明顯的性能下降。這種內(nèi)在特征賦予麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)非凡的自我修復(fù)能力。應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，經(jīng)過完全切割后，愈合后的E-GES可恢復(fù)97.9%的剛度和51.4%的韌性（圖3）。將兩個截止的E-GES部件組合1分鐘，無需任何進(jìn)一步處理。在這種嚴(yán)重受限的愈合條件下，接觸界面不能在愈合的E-GES中完全消失。然而，拉伸率仍然被測量到達(dá)到700%和幾乎不變的楊氏模量，這表明強大的E-GES網(wǎng)絡(luò)具有出色的自我修復(fù)能力。此外，基于不同拉伸釋放實驗引起的電阻變化，對E-GES的應(yīng)變敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)評價。E-GES的電阻在拉伸時首先增加，然后在釋放后減小，并且沒有觀察到明顯的電導(dǎo)滯，表明由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的彈性而具有電穩(wěn)定性。此外，在連續(xù)的拉伸-釋放循環(huán)中，增加的阻力與逐漸增加的應(yīng)變相匹配。以上實驗表明，E-GES具有優(yōu)異的應(yīng)變靈敏度并且具有制造應(yīng)變傳感器的良好條件。

圖3 E-GES自愈能力和應(yīng)變敏感性表征

E-GES的生物相容性和應(yīng)變傳感能力

為了探討E-GES的生物相容性，作者首先對人表皮角質(zhì)形成細(xì)胞系（HACAT細(xì)胞）和人真皮成纖維細(xì)胞系（HSF細(xì)胞）進(jìn)行了細(xì)胞毒性試驗。與對照組相似，實驗組中幾乎所有細(xì)胞（HACAT和HSF細(xì)胞）都是活的（綠色熒光），因此具有良好的生物相容性（圖4）。此外，E-GES的應(yīng)變傳感性能通過將其連接到不同的身體部位進(jìn)行了驗證。食指的彎曲程度與阻力的變化密切相關(guān)，彎曲角度的增加導(dǎo)致阻力的增加，當(dāng)食指矯直時可以恢復(fù)到原始值。通過固定角度旋轉(zhuǎn)手腕會產(chǎn)生清晰且可重復(fù)的阻力信號，E-GES還可檢測到膝蓋的運動。為了測試E-GES對其極限的應(yīng)變敏感性，作者檢查了其對呼吸產(chǎn)生的推力的響應(yīng)能力（圖5）。嵌入面罩中的E-GES可以連續(xù)監(jiān)測志愿者的呼吸運動，證明其在實時健康監(jiān)測中的潛在應(yīng)用。

圖4 E-GES的生物相容性測試

圖5 E-GES應(yīng)變傳感能力表征

小結(jié)：作者通過麩質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)微調(diào)理機制，實現(xiàn)了液態(tài)金屬和蛋白質(zhì)的結(jié)合以制備含蛋白質(zhì)的電子皮膚。基于其動態(tài)鍵分析，提出了一種可靠的自愈機制。此外，基于麩質(zhì)的電子皮膚在人體運動應(yīng)變傳感方面表現(xiàn)良好，可與基于合成材料的電子皮膚相媲美。這項工作成功地展示了基于蛋白質(zhì)的電子皮膚在感知人體運動方面的巨大潛力并為未來基于皮膚樣蛋白質(zhì)的電子皮膚鋪平了道路。

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-28901-9