我校王學川教授團隊近期在生物質膠原高值資源化利用方面取得系列研究成果

近期，我校王學川教授團隊在生物質膠原基質功能材料、生物醫(yī)用材料、柔性電子傳感材料等領域取得系列研究成果，在國際知名期刊Advanced Healthcare Materials、Nano Research等發(fā)表多篇學術論文，系列研究結合國家重點發(fā)展的智能制造、大健康等戰(zhàn)略方向，以膠原基質為原料衍生構建了多功能柔性傳感材料、生物醫(yī)用材料等，為典型的跨學科交叉技術應用，為擴寬我校輕工學科內涵發(fā)展提供支撐。部分研究成果如下：

1.高機械強度和透明度的天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚

電子皮膚（e-skins）在機械性能上與人體皮膚類似，被認為是用于無創(chuàng)人機交互和可穿戴設備的理想電子裝置。為了完全模仿人類皮膚，電子皮膚應該擁有可靠的機械性能；同時能夠抵抗外部環(huán)境變化，如熱、冷、干燥和細菌；并且能夠感知多種外部刺激，如溫度、濕度和應變。研究采用簡單的一鍋法，以天然皮膚為基材，并引入甜菜堿、銀納米粒子（AgNPs）、氯化鈉（NaCl）和甘油/水二元溶劑形成的混合液，以納米化方式設計了一種全新的多功能天然皮膚基有機水凝膠電子皮膚（NSD-Gel e-skin）。NSD-Gel e-skin顯示出良好的透明度以及優(yōu)異的拉伸強度（7.33 MPa）、抗穿刺性、保濕性、回濕性和抗菌性。此外，NSD-Gel e-skin具有優(yōu)異的耐寒/耐熱性和刺激反應特性，可以有效地感知環(huán)境溫度或濕度的變化，以及監(jiān)測人體生理/運動信號。體外和體內實驗表明，NSD-Gel e-skin具有理想的生物相容性，即使在惡劣的環(huán)境中（-196℃至100℃）也能起到組織保護作用。NSD-Gel e-skin在可穿戴電子設備、人機界面和人工智能等領域具有巨大的應用潛力，為開發(fā)具有按需特性的高性能電子皮膚提供了一個重要平臺。

圖1 NSD-Gel e-skin的示意圖

相關成果以“Mechanically robust and transparent organohydrogel-based e-skin nanoengineered from natural skin”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202212856）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學王學川教授和劉新華副教授以及四川大學郭俊凌教授。

2.用于健康監(jiān)測和熱量管理的多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料

作為可穿戴電子設備的重要組成部分，柔性應變傳感器因其在捕捉姿勢和監(jiān)測各種人類活動方面的能力而引起廣泛關注。然而，大多數(shù)應變傳感器存在強度較低、導電性不高、特定環(huán)境應用性能不足等問題?；诖耍擁椦芯客ㄟ^將原位聚合法、噴涂技術與浸漬方法相結合，設計了一種多功能膠原纖維基柔性可穿戴傳感材料（PPy/SCB@PP-CFs）。PPy/SCB@PP-CFs顯示出優(yōu)異的拉伸強度（59.9 MPa）、導電性（6.5 S/m）、柔韌性、生物相容性、超疏水性（接觸角>155°）、阻燃性能、電磁屏蔽效果（18.3 dB）、光熱轉換性能和應變傳感性能。值得注意的是，PPy/SCB@PP-CFs可作為柔性應變傳感材料被制作成不同的可穿戴智能產品，這些產品即使在惡劣的環(huán)境條件下（如污漬、汗水、雨水、電磁干擾和低溫）也可以長期穩(wěn)定地用于個人健康監(jiān)測和熱量管理。簡單通用的制造工藝以及多功能的性能集成使PPy/SCB@PP-CFs在可穿戴電子設備、人機界面和人工智能等領域具有良好的應用潛力。

圖2 PPy/SCB@PP-CFs的微觀結構和多功能示意圖

相關成果以“Versatile Nano-micro Collagen Fiber-Based Wearable Electronics for Health Monitoring and Thermal Management”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D2TA08263B）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授。

3.邀請綜述：膠原基質生物材料的研究進展

自2010年以來，由于中國人口老齡化的迅速增長，人們對醫(yī)療保健模式的需求已經(jīng)超過了現(xiàn)有的資源。然而，中國生物醫(yī)用材料的發(fā)展與西方發(fā)達國家之間仍然存在一定的差距。膠原是細胞外間質的主要結構蛋白，廣泛應用于醫(yī)學領域。膠原基生物材料(CBBs)可用于制備敷料和真皮替代品、手術縫合線、血漿替代品、組織工程支架和藥物輸送系統(tǒng)等，這歸功于其特殊的生物相容性、生物可降解性、低免疫原性以及膠原宿主和組織之間的協(xié)調作用。本綜述對CBBs的結構、交聯(lián)和成型技術，以及實際應用等方面的研究進展進行了綜述。首先，介紹和比較了動物源性膠原和非動物源性膠原的自然來源及其特殊結構。其次，對CBBs的各種交聯(lián)方法和成型工藝進行了探討。隨后，闡述了幾個實例來說明CBBs在生物醫(yī)學上的實際應用，并強調了實際應用的注意事項。最后，從交叉學科的角度概述了CBBs的基本發(fā)展方向。本綜述旨在為膠原作為先進生物醫(yī)用材料的獨特應用提供全面的機制，從而為促進膠原在中國的發(fā)展提供選擇。

圖3 膠原基生物材料(CBBs)的醫(yī)學應用。膠原可以根據(jù)不同的水解條件水解成明膠、肽和氨基酸，然后交聯(lián)成膠原網(wǎng)絡和重組蛋白。CBBs被廣泛地應用于以下方面：(A)止血；(B)口腔醫(yī)學；(C)骨缺損修復；(D)組織工程；(E)整形外科和(F)藥物輸送

相關成果以“A Review of Recent Progress on Collagen-based Biomaterials”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials(Adv. Healthcare Mater. 2022, 2202042, DOI: doi.org/10.1002/adhm.202202042)上。陜西科技大學博士研究生鄭漫輝和四川大學博士后陳一寧為本論文的共同第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院的王學川教授、姜慧娥副教授和劉新華副教授。

4.“三明治”型皮革復合智能電子地板

隨著人工智能技術的發(fā)展，智能家居在提高人們生活質量和健康方面發(fā)揮著越來越重要的作用。其中智能電子傳感地板是實現(xiàn)實時追蹤地板上方人體運動監(jiān)測的重要手段之一。本文將生物質明膠（Gel）與殼聚糖(Cs)、丙烯酰胺(AM)、多壁碳納米管(MWCNTs)、三氯化鐵（FeCl₃）通過簡單的“一鍋法”復合合成了一系列具有超強粘接性、自愈合性和電活性的明膠基復合導電粘合水凝膠（CAM-Gels），并將其作為導電膠層用于三明治啟發(fā)的皮革復合智能電子地板（e-floor）的制造。綜合實驗證明，豐富的活性基團和組分間的粘結性賦予了CAM-Gels對各種基材的粘附能力。CAM-Gels在天然皮膚上表現(xiàn)出超強的粘接強度，明顯優(yōu)于目前已報道的聚氨酯膠粘劑、生物基膠粘劑和貽貝類膠粘劑。CAM-Gels由于具有動態(tài)可逆的物理交聯(lián)作用，表現(xiàn)出按需的自修復能力。同時，CAM-Gels對大規(guī)模和小規(guī)模的人類活動進行了精確的實時監(jiān)測，顯示了其在傳感器電子學方面的巨大潛力。此外，所設計的智能電子傳感地板顯示出可重復且有規(guī)律的電信號，證實了該電子地板可以準確地跟蹤人們的日?；顒?。

圖4 皮革復合智能電子地板制備和應用

相關成果以“Versatile Nano-micro Collagen Fiber-Based Wearable Electronics for Health Monitoring and Thermal Management”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/D2TA08263B）上。陜西科技大學博士研究生白忠薛為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授

5.具有“傷口治療-健康監(jiān)測”的超支化聚合物多功能導電水凝膠

具有新興生物電子學的導電水凝膠在整合實時監(jiān)測電刺激下的損傷運動和治療效果以及多功能治療性方面顯示出巨大潛力。受天然皮膚的啟發(fā)，本文設計了一種具有機械柔性、抗菌、電活性、生物粘合等功能的超支化聚合物基多功能電子水凝膠（CHHCMgel）。CHHCMgel具有所有理想的多功能特性，包括可調節(jié)的機械和生物電活性特性、快速凝膠化時間、自愈合能力和可重復粘附性。此外，CHHCMgel具有優(yōu)越的生物相容性和抗菌活性。體內、外實驗表明，CHHCMgel可以實時監(jiān)測人體運動，同時在特定電刺激下對止血效果、細胞增殖和進一步的皮膚傷口愈合具有顯著的綜合治療效果，證實所提出的CHHCMgel支架可用于全層皮膚傷口愈合，作為新型柔性“傷口治療-健康監(jiān)測”生物電子植入物具有巨大潛力。

圖5 多功能CHHCMgel電子水凝膠的構建思路

相關成果以“Tissue-nanoengineered hyperbranched polymer based multifunctional hydrogels as flexible "wound treatment-health monitoring" bioelectronic implant”為題發(fā)表在Applied Materials Today（Applied Materials Today, DOI:10.1016/j.apmt.2022.101576）上。陜西科技大學羅曉民教授為本論文的第一作者及通訊作者，共同通訊作者為陜西科技大學劉新華副教授。

6.基于摩擦納米發(fā)電機的智能“組織電池”用于綜合軟骨治療

目前，軟骨缺損治療如軟骨移植、關節(jié)內注射治療、軟骨組織工程技術需要較長的修復期，且存在的“黑箱”狀態(tài)阻礙軟骨狀態(tài)的實時檢測。本研究制備的智能“組織電池”由自發(fā)電納米發(fā)電機（TENG）和軟骨支架兩部分組成。該軟骨“組織電池”兼具自供電、高靈敏度、可植入、抗干擾等特點?；诮佑|分離機制的TENG在常見關節(jié)運動壓力范圍內（0?1.8 MPa）具有較高的靈敏度（52.5 V MPa^?1），使“組織電池”能夠在“黑箱”中原位檢測軟骨修復的實時狀態(tài)。此外，體外和體內綜合實驗表明，“組織電池”將關節(jié)運動產生的機械能轉化為電能，通過電刺激的手段加速支架內的軟骨細胞增殖，從而縮短軟骨修復周期。另外，該“組織電池”具有優(yōu)良的生物相容性和可調控的生物降解性，在軟骨修復過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和穩(wěn)定性，且在修復結束后一段時間內可完全降解并被人體代謝。該“誘導組織再生—修復實時監(jiān)測”一體化“組織電池”可用于醫(yī)療康復領域，有利于減輕軟骨缺損患者的疼痛和治療費用，可作為新型的生物電子植入材料。

圖6 組織電池的微觀結構和綜合功能示意圖

相關成果以“Smart nanoengineered electronic-scaffolds based on triboelectric nanogenerators as tissue batteries for integrated cartilage therapy”為題發(fā)表在Nano Energy（DOI：10.1016/j.nanoen.2022.108158）上。陜西科技大學博士后岳歐陽為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授。

7.自供電可植入“組織電池”的電化學生物材料

當前，隨著生活水平的提高，人們更加重視全面的疾病預防和保健。與電化學材料集成的自供電植入“組織電池”對于疾病的預防、診斷、治療、術后治療和保健至關重要。我們提出了“組織電池”的新概念，即自供電組織電池—SPTB。SPTB是基于電活性生物材料的柔性自供電植入系統(tǒng)或平臺，并作用于生物組織的界面。基于生物體在生命活動中的電現(xiàn)象，用于促進組織修復的SPTB越來越受到人們的關注。SPTB不但具有生物材料卓越的生物相容性，而且與歷史悠久的電刺激療法相結合，能有效促進組織恢復，在疾病治療與愈合等方面非常有前景。然而，由于人們缺乏對SPTB的綜合認知評價，阻礙了SPTB的臨床應用研究。本綜述對應用于生命和健康方面的SPTB進行了全面降解。首先，介紹了電化學材料及其在不同種類SPTB中的全面應用，并對其在疾病預防、診斷、精準治療和個性化健康監(jiān)測應用方面進行了比較。然后，討論了SPTB促進組織修復的潛在機制。最后，總結了未來研究面臨的挑戰(zhàn)，并提出了具體的研究建議。綜上所述，本文綜述了SPTB在各種醫(yī)療應用中的意義和多功能性，對SPTB的進一步研究具有指導意義。

圖7 SPTB在生物醫(yī)用材料領域的實際應用

相關成果以“Electrochemical Biomaterials for Self-powered Implantable “Tissue Batteries”: A Tutorial Review”為題發(fā)表在Nano Research（DOI：10.1007/s12274-022-5191-8）上。陜西科技大學博士生鄭漫輝為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院王學川教授和劉新華副教授。

（核稿：劉國棟 編輯：劉倩）