看看ZOH纤维：高透明、稳定性好，在生物信息监测中的出色表现
看看ZOH纤维：高透明、稳定性好，在生物信息监测中的出色表现
大家好，今天我们来聊一聊生物电子学中一种用于监测生物信息的高性能材料——两性离子有机氢凝胶纤维——《High-Performance Zwitterionic Organohydrogel Fiber in Bioelectronics for Monitoring Bioinformation》发表于《biosensors》。在日常生活中，生物信息至关重要，而可穿戴生物电子设备对于实时感知生物信息意义非凡。当前的导电水凝胶纤维存在诸多缺点，而我们要说的这种纤维，通过独特的合成方法，具备高拉伸性、高透明度、长期稳定性等优异性能，在生物信息监测方面展现出巨大潜力，让我们一起来深入了解它吧。
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
生物信息，如遗传、神经、化学和感官信息等，在日常生活中起着至关重要的作用。随着对生物信息关注度的增加，能够检测和传递生物信息的生物电子学的重要性日益凸显。导电水凝胶被视为生物电子学的关键材料，但目前的电子导电水凝胶和离子导电水凝胶都存在不可忽视的缺点。
例如，电子导电水凝胶存在透明度不足、伸长率有限和疲劳抗性差等问题，这是由于添加了通常不透明的电子导电填料、不均匀团聚以及脆弱且不可恢复的键合造成的。例如，文献中提到某些电子导电水凝胶因添加导电填料而导致透明度降低，断裂伸长率受限。
离子导电水凝胶则存在导电性差和离子在变形时易泄漏的问题，这是由于自由电荷离子在水凝胶网络中的定向运动受限以及高离子浓度导致的。
二、两性离子导电水凝胶与有机水凝胶
两性离子导电水凝胶具有出色的生物相容性，但长期稳定性和温度耐受性仍有待解决。例如，Hu和同事制备的自缔合交联两性离子导电水凝胶以及Wang和同事开发的两性离子水凝胶，虽能应用于电生理信号的传输和检测生理信号，但仍存在一些问题。
为了解决这些问题，有机水凝胶被认为是一种有效的解决方案。例如， Ye 和同事使用二甲基亚砜（DMSO）制备的有机水凝胶表现出优异的抗冻能力（-70℃）和长期稳定性（1天）。然而，这些工作中报道的有机水凝胶仍存在一些明显的缺点，如可检测的生物信息有限以及难以与服装集成实现可穿戴性。
三、ZOH纤维的制备与性能
（一）制备方法
本文通过模具法和溶剂置换法相结合制备了一种两性离子有机水凝胶（ZOH）纤维。具体步骤为：首先制备一定量的1.5wt%海藻酸钠溶液，依次加入3.88g SBMA、2.13g AAm、0.003g MBAA和0.035g I2959，搅拌溶解、静置消泡后，将溶液注入内径为0.8mm的PVC 管中，用紫外灯（λ= 365nm）照射10min，得到ZH纤维。然后将ZH纤维浸泡在1.5M LiCl 和50wt% EG的混合溶液中一段时间，最终得到ZOH纤维。
（二）结构与性能
透明度与机械性能
透明度：通过控制LiCl的添加量（0-2M），测试了一系列样品的透明度。结果表明，当LiCl含量从0增加到1.5M时，样品的透明度逐渐增加，最高可达92.1%。当LiCl含量从1.5M增加到2M时，透明度下降，可能是由于盐析效应。
机械性能：制备了不同 SBMA含量的有机水凝胶纤维，其中ZOH-4纤维的伸长率和机械强度最佳，分别为905.8%和213.4Kpa，且具有良好的疲劳抗性。
稳定性
温度稳定性：ZOH纤维在低温（-35℃）和高温（60℃）下都能保持良好的拉伸性能和透明度，而ZH纤维在低温和高温下易碎且颜色从透明变为不透明。
热稳定性：通过DSC测试和热重分析（TG）表明，ZOH纤维的液-固相变点高于其他水凝胶纤维，热稳定性优异，这使得ZOH纤维能够在更低的温度范围内工作。
长期稳定性：在长期水保留测试中，纯丙烯酰胺凝胶的重量迅速下降，水分损失大，最终重量仅约为初始值的20%；P（SBMA-co-AAm）水凝胶最终重量约为50%；而ZOH纤维由于EG和LiCl的存在，形成了氢键和静电相互作用，水凝胶重量保持在70%以上，具有长期稳定性。
导电性
电导率：随着LiCl浓度的增加，ZOH纤维的导电性逐渐增加，当LiCl浓度为2M时，电导率最佳，为0.62S/m。
在-35℃和60℃时，ZOH纤维分别能保持0.4S/m和0.35S/m的高离子电导率。
生物电信号测试：ZOH纤维基电极能准确实时地测量ECG信号，信号峰值更明显，质量优于商业电极。
此外，该电极还可用于EMG信号测试，信号稳定，能够区分不同的握力、手指伸展数量以及膝盖弯曲时的EMG信号。
光导性能
涂层制备与光传输机制：通过两步法制备了涂层ZOH纤维，即将制备的ZOH纤维先浸泡在海藻酸钠中一分钟，然后取出浸泡在氯化钙和50wt% EG的混合溶液中一段时间。
未涂层的ZOH纤维光会发生散射，导致光损失较高；而涂层后的ZOH纤维，光被反射到涂层并反射回纤维内，从而大大减少了光传输损失。
光导性能测试：使用不同波长的激光（蓝色：450nm，绿色：532nm，红色：650nm）测试涂层和未涂层ZOH纤维的光导性能。结果表明，涂层后ZOH纤维的光导性能更好，红色激光照射时，未涂层水凝胶的光衰减为0.48dB/cm，涂层水凝胶为0.17dB/cm。
四、结论
本文制备的ZOH纤维具有高拉伸性能、高离子电导率，基于ZOH纤维的应变传感器具有高耐久性和长期稳定性，ZOH纤维可作为生物电极收集ECG和EMG信号，涂层ZOH纤维具有低光传播损失，有望用于光纤和神经接口。
参考文献：
Xia J, et al. High-Performance Zwitterionic Organohydrogel Fiber in Bioelectronics for Monitoring Bioinformation. Biosensors (Basel). 2023 Jan 9;13(1):115.