超弹性苯丙氨酸二肽晶体纤维在可穿戴和植入式生物电子中的应用

背景介绍

随着柔性生物电子学的快速发展，开发具有高弹性、透气性并能实现与人体共形变形的压电材料和器件已成为一个重要的研究课题。传统的无机压电陶瓷（如氧化锌、钛酸钡和锆钛酸铅）虽然具有高压电系数，但其与人体组织的机械性能不匹配，限制了其在实际应用中的使用。有机压电聚合物（如聚偏氟乙烯和聚乳酸）虽然具有良好的生物相容性，但其压电效应较弱且拉伸性有限。因此，寻找一种既能保持高压电性能又具有良好弹性、透气性和生物相容性的材料成为当前研究的重点。

苯丙氨酸二肽（Phenylalanine Dipeptide, FF）因其优异的压电性能和机械特性，被认为是制备可穿戴和植入式设备的理想材料。然而，FF晶体固有的刚性、脆性和单分散性限制了其在柔性器件中的应用。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于纳米限域自组装策略的新型FF晶体纤维（FF-CFs），旨在实现弹性、柔性、稳定性和透气性的结合。

论文来源

该研究由南京理工大学化学与化工学院的Juan Ma、Lili Qian、Fei Jin、Weiying Zheng、Tong Li、Zhidong Wei、Ting Wang和Zhang-Qi Feng共同完成，并于2025年发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上（卷号：7，页码：338-350）。研究得到了中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。

研究流程与结果

1. FF晶体纤维的制备与表征

研究团队开发了一种纳米限域自组装策略，通过将FF晶体与定向苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）分子束结合，形成独特的榫卯结构，从而获得具有弹性（≈1200%）、柔性（杨氏模量：0.409 ± 0.031 MPa）、压电性（宏观d33：10.025 ± 0.33 pC N⁻¹）、透气性和物理稳定性的FF晶体纤维。具体步骤如下：

• SBS纤维的静电纺丝：将25 wt%的SBS溶解在1,2-二氯乙烷中，经过4小时的热搅拌后，通过静电纺丝制备SBS纤维。
• FF乙腈溶液的制备：将20 mg FF溶解在100 μl六氟异丙醇中，并用乙腈稀释至0.2% w/v的浓度。
• FF晶体纤维的制备：通过微渗透拉拔法将FF乙腈溶液与SBS纤维结合，形成FF晶体纤维。

2. FF晶体纤维的性能表征

研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、稳态/寿命荧光光谱（PL）等手段对FF晶体纤维的形貌、功能组和自组装机制进行了表征。结果表明，FF晶体纤维具有优异的弹性、柔性和物理稳定性，能够实现与人体皮肤的共形变形，并在不同的人体活动中表现出高保真度的生物信息采集能力。

3. FF晶体纤维的压电性能

FF晶体纤维的纵向压电系数（d33）为10.025 ± 0.33 pC N⁻¹，高于常用的压电材料（如甘氨酸、聚乳酸和胶原纤维）。研究团队将FF晶体纤维与液态金属（Ga-In合金）涂层和无线电子传输组件结合，开发了一种柔性人体生理运动传感系统。该系统能够实现对人体运动的高灵敏度检测，并在不同生理状态下检测心脏跳动、呼吸和膈肌运动的细微压力变化。

4. 动物实验

研究团队将FF晶体纤维传感器植入小鼠的心脏、胸肌和膈肌中，监测不同生理状态下的信号变化。实验结果表明，传感器能够准确捕捉心脏跳动频率和呼吸模式，并在长期植入实验中表现出良好的生物相容性。

结论与意义

该研究通过纳米限域自组装策略成功制备了具有超弹性的FF晶体纤维，解决了FF晶体在柔性器件应用中的刚性、脆性和单分散性问题。FF晶体纤维结合了优异的弹性、透气性和稳定性，并成功应用于柔性人体生理运动传感系统中，实现了对人体运动的高保真度检测。此外，该传感器在动物实验中表现出良好的生物相容性和长期稳定性，为未来的可穿戴和植入式生物电子设备提供了新的解决方案。

研究亮点

1. 超弹性FF晶体纤维：通过纳米限域自组装策略制备的FF晶体纤维具有高达1200%的拉伸应变，突破了传统压电材料的限制。
2. 高灵敏度传感系统：结合液态金属涂层和无线传输组件的柔性传感系统能够高灵敏度地检测人体运动和生理信号。
3. 良好的生物相容性：动物实验表明，FF晶体纤维传感器在长期植入后仍保持良好的生物相容性，为植入式设备的安全性提供了保障。

其他有价值的信息

该研究还提出，未来可以通过功能化FF分子和优化自组装过程进一步提升器件性能，并结合深度学习技术实现智能健康监测和情绪识别等功能，推动智能医疗领域的创新发展。

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该研究不仅为柔性压电材料的设计提供了新的思路，也为可穿戴和植入式生物电子设备的开发开辟了新的道路，具有重要的科学价值和实际应用前景。