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麻省理工學院的工程師們已經開發出一種將明膠狀聚合物材料（稱為水凝膠和彈性體）結合起來的方法，這種材料可用于制造人造皮膚和更持久的隱形眼鏡。如果你在廚房的柜臺上留下一個Jell-O的立方體，最終會水蒸發，留下一個萎縮的，硬化的質量-幾乎沒有一個開胃糖果。水凝膠也是如此。這些明膠狀聚合物材料主要由水制成，具有彈性和吸水性，直到不可避免地干涸。現在，麻省理工學院的工程師們已經找到了一種防止水凝膠脫水的方法，這項技術可以產生更持久的隱形眼鏡、彈性微流體裝置、靈活的生物電子學，甚至人造皮膚。工程師們由麻省理工學院機械工程系的羅伯特·諾伊斯職業發展副教授趙宣和（No.Noyce）領導，他們設計了一種方法，將水凝膠與彈性體緊密結合——彈性聚合物，如橡膠和硅膠，其彈性像水凝膠一樣具有彈性，但不受水的影響。他們發現，用薄彈性層涂覆水凝膠提供了一個吸水屏障，使水凝膠保持濕潤、靈活和堅固。研究結果發表在《自然通訊》雜志上。趙說，這個小組從人類皮膚的設計中汲取靈感，這種皮膚由一個與底層真皮層粘合的外皮層組成。表皮起到盾牌的作用，保護真皮及其神經和毛細血管網絡，以及身體的其他肌肉和器官，防止干燥。該團隊的氫凝膠彈性體混合體在設計上與表皮和真皮之間的粘結相似，而且實際上比表皮之間的粘結要困難得多。該團隊開發了一個物理模型，以定量指導各種水凝膠彈性體鍵的設計。此外，研究人員正在探索混合材料的各種應用，包括人造皮膚。在同一篇論文中，他們報告說發明了一種技術，將微小的通道陣列到混合材料中，類似于血管。他們還在材料中嵌入了復雜的離子電路，以模擬神經網絡。"我們希望這項工作將為合成皮膚鋪平道路，甚至為具有生物功能的柔軟、靈活的皮膚機器人鋪平道路，"趙說。論文的主要作者是麻省理工學院研究生尤賢宇。合著者包括麻省理工學院研究生德國人阿爾貝托·帕拉達和劉新月，以及前趙群博士后張騰，現在是錫拉丘茲大學助理教授。圖（a）顯示了水凝膠彈性體微流體芯片的制造過程。圖（b）顯示，水凝膠-彈性體微流體混合物支持微流體通道中的化學品（以不同顏色的食品染料表示）的對流，支持水凝膠中化學品的擴散，即使材料拉伸，如圖（c）所示。在圖（d）中，微流體混合體被用作擴散反應研究的平臺。來自兩個微流體通道的酸和堿溶液擴散在pH敏感水凝膠中，形成不同顏色的區域（淺紅色表示酸，深紫色表示堿）。下皮2015年12月，趙的團隊報告說，他們開發了一種技術，以實現水凝膠與金屬、陶瓷和玻璃等固體表面的極其堅固的結合。研究人員利用這項技術將電子傳感器嵌入水凝膠中，制造出一種"智能"繃帶。然而，他們發現水凝膠最終會干涸，失去靈活性。其他人試圖用鹽來治療水凝膠，以防止脫水，趙說，這種方法是有效的，但這種方法可以使水凝膠與生物組織不相容。相反，研究人員在皮膚的啟發下，認為用同樣有彈性但防水的材料涂覆水凝膠是預防脫水的更好策略。它們很快落在彈性體上，成為理想的涂層，盡管橡膠材料帶來了一個重大挑戰：它本質上耐與水凝膠粘合。"大多數彈性體都是疏水的，這意味著他們不喜歡水，"Yuk說。"但水凝膠是水的改良版本。因此，這些材料不太喜歡對方，通常不能形成良好的粘附性。Yuk說，研究小組試圖用他們為固體表面開發的技術將材料粘合在一起，但與彈性體結合時，水凝膠粘合"非常弱"。在搜索了有關化學結合劑的文獻后，研究人員發現了一種可能將水凝膠和彈性體結合在一起的候選化合物：苯甲酮，它通過紫外線（UV）光激活。在將薄薄的彈性體浸入苯甲酮溶液中后，研究人員將經過處理的彈性體包裹在一片水凝膠上，將混合物暴露在紫外線下。他們發現，在干燥的實驗室環境中48小時后，混合材料的重量沒有變化，表明水凝膠保留了大部分水分。他們還測量了剝開兩種材料所需的力，發現要將它們分離，每平方米需要1，000焦耳，遠遠高于從真皮中剝離皮膚表皮所需的力。"這甚至比皮膚還硬，"趙說。"我們還可以將材料拉伸到其原始長度的七倍，并且粘結仍然存在。擴展水凝膠工具組進一步與皮膚的比較，研究小組設計了一種方法，在水凝膠彈性體混合體內蝕刻微小的通道，以模擬一個簡單的血管網絡。他們首先用簡單的三通道圖案將一種普通彈性體固化到硅晶圓模具上，使用軟光刻將該圖案蝕刻到彈性體上。然后，他們把圖案的彈性體浸入苯甲酮中，在彈性體上鋪上一片水凝膠，將兩層暴露在紫外線下。在實驗中，研究人員能夠通過混合材料的每個通道流紅、藍、綠三色。Yuk說，在未來，雜交彈性體材料可以用作彈性微流體繃帶，直接通過皮膚運送藥物。"我們表明，我們可以用它作為一個可拉伸的微流體電路，"Yuk說。"在人體中，物體在移動、彎曲和變形。在這里，我們也許可以進行微流體，看看[設備]在身體的移動部分的行為。研究人員還探討了混合材料作為復雜離子電路的潛力。神經網絡就是這樣一個電路;皮膚中的神經來回發送離子，以發出熱和疼痛等感覺信號。趙說，水凝膠主要由水組成，是自然導體，離子可以通過它流動。他說，彈性體層的加入起到絕緣體的作用，防止離子逸出——這是任何電路的基本組合。為了使其對離子進行導電，研究人員將混合材料浸入氯化鈉的濃縮溶液中，然后將材料連接到LED燈。通過將電極放置在材料的兩端，它們能夠產生一個打開光的離子電流。"我們展示的電路非常漂亮，不是金屬做的，而是水凝膠的，模擬神經元的功能，"Yuk說。"我們可以擴展它們，并且它們仍然保持連接性和功能。哈佛大學醫學院和麻省總醫院的副教授Syun-HyunYun說，水凝膠和彈性體具有獨特的物理和化學特性，一結合，可能會帶來新的應用。"這是一項發人深省的工作，"云說，誰沒有參與這項研究。"在許多[應用]中，我可以想象植入的智能人造皮膚，并提供一個窗口，與身體互動，以監測健康、感知病原體和運送藥物。接下來，該集團希望進一步測試混合材料在多個應用中的潛力，包括可穿戴電子產品和按需送藥的繃帶，以及非干燥、電路嵌入的隱形眼鏡。"最終，我們試圖擴大使用水凝膠作為高級工程工具的論點，"趙說。這項研究部分由海軍研究辦公室、德雷珀實驗室、麻省理工學院士兵納米技術研究所和國家科學基金會資助。

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