DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58631-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40199936
تاريخ النشر: 2025-04-08
المؤلف: Tao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على هيدروكسيباتيت نانو الحجم (HAp) من شركة ماكلين للتكنولوجيا الكيميائية المحدودة، بينما تم الحصول على الكواشف الأخرى، بما في ذلك ثلاثي إيثيل أمين (TA) و2-هيدروكسي-4′-(2-هيدروكسي إيثوكسي)-2-ميثيل بروبيوفينون (I 2959)، من شركة سيغما ألدريتش لعلوم الحياة والتكنولوجيا المحدودة. تم الحصول على كلوريد الكولين (CHCl) واثيلين جلايكول (EG) وكلوريد الأكريلويل من شركة أداماس-بيتا المحدودة. تم تصنيع N-أكريلويل 2-جلايسين (ACG) وفقًا للبروتوكولات المعتمدة، باستخدام الجلايسين وكلوريد الأكريلويل وهيدروكسيد الصوديوم كمواد أولية. كانت جميع المواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة من الدرجة التحليلية.
تم إجراء تجارب حيوانية وفقًا للمعايير الأخلاقية، كما وافق عليها لجنة أخلاقيات الحيوانات المخبرية في جامعة جنوب الصين الزراعية (رقم الموافقة 2024b177). شملت الدراسة ستة من إناث الجرذان من نوع سبراجي-داولي (SD)، كل منها يزن حوالي 160 جرام، والتي تم إيواؤها تحت ظروف محكومة (رطوبة نسبية من 55-60% ودرجة حرارة من 22-25 °م) مع دورة ضوء/ظلام لمدة 12 ساعة والوصول غير المحدود إلى الطعام والماء. تم إخضاع كل جرذ لتجربة واحدة وتم euthanized عبر حقن داخل البطن بمخدر بعد يومين من العلاج. تم تصوير عينات الجلد المستأصلة وتجهيزها للتلوين بالهيماتوكسيلين والإيوزين (HE).
النتائج
تقدم الدراسة تصنيع وأداء ميكانيكي لجيل ATH eutectogel، الذي تم إنشاؤه عبر بلمرة الجذور الحرة المعتمدة على الضوء باستخدام N-أكريلويل 2-جلايسين (ACG) وحمض التانيك (TA) وهيدروكسيباتيت (HAp) في مذيبات ChCl/جلايكول. تشير النتائج إلى أن HAp ضروري للتشابك من خلال روابط تنسيق قوية مع سلاسل البوليمر، بينما يعزز TA الروابط الهيدروجينية داخل شبكة الجل. ومن الجدير بالذكر أن نظام ATH 6 أظهر تشكيل جل كبير، كما يتضح من معامل التخزين الأعلى ($G’$) مقارنة بمعامل الفقد ($G”$)، مما يؤكد نجاح التشابك.
أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن إجهاد الشد وقوة الكسر لجيلات ATH زادت مع محتوى HAp، حيث تراوحت نسبة كسر الشد من 1062% إلى 544% وإجهاد كسر الشد من 9.7 كيلو باسكال إلى 75.4 كيلو باسكال مع زيادة نسبة HAp من 2% إلى 20%. أظهر عينة ATH 6 حد أدنى من الهسترسيس في اختبارات الشد والضغط الدورية، مما يظهر مرونة ممتازة ومقاومة للتعب، حيث يمكنها استعادة شكلها الأصلي بعد 30 دورة من إجهاد 80%. من المهم أن يكون معامل يونغ لجيلات ATH (1.48 كيلو باسكال إلى 12.87 كيلو باسكال) أقل بكثير من تلك المستخدمة في تطبيقات الأقطاب أو المستشعرات، مما يتماشى بشكل أقرب مع خصائص الأنسجة البيولوجية اللينة، مما يعزز توافق الجلد. بالمقارنة، أظهر هيدروجيل مطابق خصائص شد متفوقة، لكن نعومة ATH eutectogel سمحت بنقل بصمات أفضل وقدرة على التكيف مع تغييرات الضغط الديناميكي، مما يجعله مفيدًا للتطبيقات التي تتطلب واجهات جلدية-مستشعر محكمة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة أداء الالتصاق، والتوافق الحيوي، وقدرات الشفاء الذاتي، والوظائف الحسية لجيل ATH 6 بالتفصيل. أظهر جيل ATH 6 خصائص لاصقة مثالية، حيث حقق أقصى قوة قص تبلغ 34.6 كيلو باسكال على جلد الخنازير، وهو ما يُعزى إلى توازنه المفضل بين القوة الكلية والقوة السطحية. حافظت هذه المادة على التصاق قوي حتى في وجود العرق وأظهرت استقرارًا ملحوظًا عبر نطاق درجات حرارة من -20 °م إلى 37 °م، مع زيادة كبيرة في قوة القص عند درجات حرارة منخفضة بسبب تعزيز الروابط الهيدروجينية. علاوة على ذلك، أظهر ATH 6 توافقًا حيويًا عاليًا، مع نسبة بقاء الخلايا تبلغ 94% وعدم وجود ردود فعل مهيجة لوحظت خلال اختبارات التصاق الجلد.
تم قياس أداء الشفاء الذاتي لـ ATH 6، حيث حقق كفاءة شفاء ذاتي تبلغ 96.5% في غضون ثلاث ساعات عند درجة حرارة الغرفة، متفوقًا على أنواع الجل الأخرى. تم عزو قدرة المادة على استعادة خصائصها الميكانيكية بعد التلف إلى التفاعلات الديناميكية للتشابك الفيزيائي. بالإضافة إلى ذلك، أظهر المستشعر ثنائي الوضع المصنوع من ATH 6 القدرة على اكتشاف تغييرات الضغط ودرجة الحرارة بشكل مستقل، وهو أمر حاسم لتطبيقات مثل مراقبة تدفق الهواء من فتحات الأنف. تم التحقق من أداء المستشعر من خلال المراقبة في الوقت الحقيقي لحالات تنفسية مختلفة، مما يظهر حساسيته للإشارات الضعيفة للضغط والتغيرات الحرارية. بشكل عام، يقدم جيل ATH 6 حلاً واعدًا للمستشعرات القابلة للارتداء في التطبيقات الطبية الحيوية، حيث يجمع بين الالتصاق القوي، والتوافق الحيوي، والشفاء الذاتي، والقدرات الحسية الفعالة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58631-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40199936
Publication Date: 2025-04-08
Author(s): Tao Liu et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Methods
In this study, nano-sized hydroxyapatite (HAp) was sourced from Macklin Biochemical Technology Co., Ltd, while other reagents, including triethylamine (TA) and 2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (I 2959), were obtained from Sigma Aldrich Life Science & Technology Co., Ltd. Choline chloride (CHCl), ethylene glycol (EG), and acryloyl chloride were procured from Adamas-beta Co., Ltd. The synthesis of N-Acryloyl 2-Glycine (ACG) followed established protocols, utilizing glycine, acryloyl chloride, and sodium hydroxide as starting materials. All chemicals and solvents used were of analytical grade.
Animal experiments were conducted in compliance with ethical standards, as approved by the Laboratory Animal Ethics Committee of South China Agricultural University (approval number 2024b177). The study involved six female Sprague-Dawley (SD) rats, each weighing approximately 160 g, which were housed under controlled conditions (relative humidity of 55-60% and temperature of 22-25 °C) with a 12-hour light/dark cycle and unrestricted access to food and water. Each rat was subjected to a single experiment and euthanized via intraperitoneal injection of an anesthetic two days post-treatment. The excised skin samples were subsequently photographed and prepared for hematoxylin and eosin (HE) staining.
Results
The study presents the synthesis and mechanical performance of ATH eutectogel, created via photo-initiated free radical polymerization using N-Acryloyl 2-Glycine (ACG), tannic acid (TA), and hydroxyapatite (HAp) in a ChCl/glycol solvent. The results indicate that HAp is crucial for crosslinking through strong coordination bonds with polymer chains, while TA enhances hydrogen bonding within the gel network. Notably, the ATH 6 system demonstrated significant gel formation, as evidenced by a higher storage modulus ($G’$) compared to the loss modulus ($G”$), confirming the successful crosslinking.
Mechanical testing revealed that the tensile stress and fracture toughness of the ATH gels increased with HAp content, with tensile fracture strain ranging from 1062% to 544% and tensile fracture stress from 9.7 kPa to 75.4 kPa as the HAp ratio increased from 2% to 20%. The ATH 6 sample exhibited minimal hysteresis in cyclic tensile and compressive tests, showcasing excellent elasticity and fatigue resistance, as it could recover its original shape after 30 cycles of 80% strain. Importantly, the Young’s modulus of the ATH gels (1.48 kPa to 12.87 kPa) is significantly lower than that of other gels used in electrode or sensor applications, aligning more closely with the properties of soft biological tissues, which enhances skin compliance. In comparison, a corresponding hydrogel demonstrated superior tensile properties, but the ATH eutectogel’s softness allowed for better fingerprint transfer and adaptability to dynamic pressure changes, making it advantageous for applications requiring tight skin-sensor interfaces.
Discussion
In this section, the adhesive performance, biocompatibility, self-healing capabilities, and sensory functionality of the ATH 6 eutectogel are discussed in detail. The ATH 6 eutectogel demonstrated optimal adhesive properties, achieving a maximum shear strength of 34.6 kPa on porcine skin, which was attributed to its favorable balance between bulk and interfacial strength. This material maintained strong adhesion even in the presence of sweat and exhibited remarkable stability across a temperature range from -20 °C to 37 °C, with shear strength increasing significantly at lower temperatures due to enhanced hydrogen bonding. Furthermore, ATH 6 exhibited high biocompatibility, with a cell viability of 94% and no irritative reactions observed during skin adhesion tests.
The self-healing performance of ATH 6 was quantified, achieving a self-healing efficiency of 96.5% within three hours at room temperature, outperforming other gel types. The material’s ability to recover its mechanical properties after damage was attributed to dynamic physical crosslinking interactions. Additionally, the dual-modal sensor constructed from ATH 6 demonstrated the capability to independently detect pressure and temperature changes, crucial for applications such as nostril airflow monitoring. The sensor’s performance was validated through real-time monitoring of various respiratory states, showcasing its sensitivity to weak pressure signals and thermal variations. Overall, the ATH 6 eutectogel presents a promising solution for wearable sensors in biomedical applications, combining strong adhesion, biocompatibility, self-healing, and effective sensory capabilities.