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可穿戴生物電子學(xué)的最新進(jìn)展開(kāi)辟了了解人體并為其提供新功能的新方法。這些可穿戴設(shè)備可以監(jiān)測(cè)人體的生理信號(hào)，并有助于對(duì)疾病進(jìn)行復(fù)雜的診治。
然而，典型的可穿戴設(shè)備是剛性的，并且會(huì)表現(xiàn)出不可靠的功能并導(dǎo)致組織損傷，這是由于設(shè)備與界面處組織之間的機(jī)械不匹配造成的。為了克服這些限制，柔性和可拉伸的生物電子學(xué)引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢赃m應(yīng)人體皮膚或器官的機(jī)電特性和變形。人機(jī)界面 (HMI) 對(duì)于機(jī)器和組織之間的有效通信至關(guān)重要。然而，機(jī)械和生物不匹配，以及剛性電子設(shè)備和軟組織之間的粘附力弱，通常會(huì)導(dǎo)致不可靠的響應(yīng)并影響 HMI 的信號(hào)記錄。
來(lái)自華南理工大學(xué)的陳港和Boxin Zhao團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種不對(duì)稱的“Janus”生物凝膠貼片，其一側(cè)牢固地粘附在組織上，而另一表面幾乎沒(méi)有粘附力并且與周圍環(huán)境的相互作用最小。本研究進(jìn)行了一系列分析、機(jī)械和電氣測(cè)試，以分析“Janus”生物凝膠貼片作為功能性和生物相容性 HMI。發(fā)現(xiàn)一側(cè)的沒(méi)食子酸改性明膠粘附表面表現(xiàn)出體溫依賴性組織粘附，可實(shí)現(xiàn)低模量和無(wú)縫皮膚接觸。另一面是一層堅(jiān)韌的明膠/甘油凝膠層，通過(guò)熱熔接進(jìn)入粘合層，起到密封劑的作用，從而防止因粘合而受到外界干擾。封裝層在潮濕時(shí)也表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)，并被證明是傳統(tǒng)封裝材料的可靠替代屏障。這種“Janus”生物凝膠所揭示的科學(xué)見(jiàn)解和工程原理將適用于廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如表皮粘附電極或皮膚粘附可穿戴設(shè)備。相關(guān)工作以題為“Asymmetric “Janus” Biogel for Human-Machine Interfaces”的文章發(fā)表在2023年5月11日的國(guó)際著名期刊《Advanced Functional Materials》。
1. 創(chuàng)新型研究?jī)?nèi)容
本研究開(kāi)發(fā)了一種基于凝膠的“Janus”生物凝膠貼片作為皮膚電子的界面，其內(nèi)表面對(duì)皮膚的粘附力高，外表面的粘附力可忽略不計(jì)，并提供抗水侵蝕和脫水能力。在此設(shè)計(jì)中，由于鄰苯二酚基團(tuán)、靜電引力和氫鍵與皮膚表面的協(xié)同作用，內(nèi)部粘合層表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘合力。同時(shí)，外封裝層充當(dāng)光滑的屏障，以最大限度地減少粘附并阻擋環(huán)境干擾。當(dāng)應(yīng)用于人體皮膚時(shí)，本研究的“Janus”生物凝膠貼劑表現(xiàn)出體溫觸發(fā)的粘附性，表面堅(jiān)韌穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，“Janus”生物凝膠貼片可以作為橋接界面，實(shí)現(xiàn)與人體皮膚的保形粘附，并有助于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
如圖 1 所示，“Janus”生物凝膠貼片被設(shè)計(jì)為一種靈活透明的敷料，其由熱焊接雙層組成：粘合層和封裝（堅(jiān)韌保護(hù)）層，其中所有成分均來(lái)自可生物降解的自然資源。圖 1c 說(shuō)明了粘合劑層和封裝層之間界面處熱焊接的分子機(jī)制。在合成過(guò)程中，首先制備粘合劑層，然后在頂部澆鑄熱液體形式的封裝層。由于熱誘導(dǎo)表面熔化過(guò)程，兩層之間的界面在頂層冷卻時(shí)無(wú)縫“焊接”。界面的光學(xué)顯微圖像也證實(shí)粘合劑層和封裝層被熱“焊接”在一起。在雙層結(jié)構(gòu)中，粘合層（底部）包括由沒(méi)食子酸改性魚(yú)皮明膠（GA-FGel）、豬皮明膠（PGel）、2,3-二醛纖維素納米纖維（Dia-CNFs）、甘油組成的互穿網(wǎng)絡(luò)(Gly) 和氯化鈉 (NaCl)。PGel為主要基質(zhì)，其他生物相容性成分為功能性添加劑主要有：強(qiáng)粘附性的GA-FGel用于防止殘留和提高機(jī)械性能的Dia-CNFs、離子導(dǎo)電性的NaCl以及環(huán)境穩(wěn)定性的甘油-水二元溶劑體系。封裝層（頂部）是通過(guò)簡(jiǎn)單的溶膠-凝膠工藝應(yīng)用天然 PGel 和甘油-水二元溶劑系統(tǒng)制備的，其中 PGel 聚合物鏈作為主要網(wǎng)絡(luò)，而甘油用于改善物理交聯(lián)點(diǎn)以增強(qiáng)韌性。
圖1 用于實(shí)現(xiàn)可穿戴生物電子設(shè)備的人機(jī)界面的“Janus”生物凝膠貼片示意圖
粘合劑生物凝膠 (GA-FGel/PGel/Dia-CNF/Gly) 是一種超柔軟材料，使其與柔軟的人體皮膚機(jī)械相容。如圖 2所示，在相對(duì)厚度為 3 mm 時(shí)，軟粘附生物凝膠可以貼合地覆蓋玻璃管的圓柱形表面，而硬質(zhì)聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 彈性體和聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝膠則不能。此外，粘合劑生物凝膠還可以無(wú)縫覆蓋表面凹槽，而 PDMS 彈性體和 PAAm 水凝膠在它們之間留下間隙。本研究還使用光學(xué)顯微鏡對(duì)界面區(qū)域的形態(tài)進(jìn)行了成像。本研究的生物凝膠、PAAm 水凝膠和 PDMS 彈性體都可以貼合平板玻璃板。然而，只有粘性生物凝膠可以無(wú)縫覆蓋凹槽表面，而 PDMS 彈性體和 PAAm 水凝膠在它們之間留下了間隙，這與上述結(jié)果一致。此外，在將粘附性生物凝膠整合到氣球上后，生物凝膠可以隨著氣球的膨脹表面明顯變形，顯示粘附性生物凝膠與軟基底之間的共形接觸。作為進(jìn)一步的證明，粘附性生物凝膠可以粘附在人的手指上，并且在手指彎曲時(shí)容易變形，沒(méi)有任何滑動(dòng)，其表現(xiàn)出良好的皮膚粘附性和變形匹配特性。
圖2 粘合生物凝膠層的機(jī)械、微壓痕和摩擦測(cè)量
考慮到本研究的粘合生物凝膠的實(shí)際應(yīng)用，本研究進(jìn)一步測(cè)量了它們?cè)谌祟惼つw和豬皮膚上的粘合力。有趣的是，90°剝離測(cè)試結(jié)果表明，常溫下在人皮上的粘合強(qiáng)度優(yōu)于在豬皮上的粘合強(qiáng)度；粘附強(qiáng)度隨著人體皮膚表面接觸時(shí)間的增加而增加（圖 3）。本研究推測(cè)這些結(jié)果可能與溫度響應(yīng)粘附增強(qiáng)有關(guān)。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，本研究描述了粘性生物凝膠響應(yīng)溫度變化的流變學(xué)特性。在加熱過(guò)程中，粘性生物凝膠（GA-FGel/PGel/Dia-CNF/Gly）的 G′ 和G″; 值都隨著溫度的升高而持續(xù)下降。粘合劑生物凝膠的相應(yīng)tanδ（G“/G′）與溫度的關(guān)系曲線在≈32.3 ℃處顯示出重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這表明它從粘彈性凝膠到粘性液體的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度。在 ≈40.9 ℃ 時(shí) tanδ 增加到 >1 后，完全發(fā)生了從類固態(tài)到類液態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變；這是由于粘合劑生物凝膠中物理相互作用的熱誘導(dǎo)破壞和重建。
圖3 粘合劑生物凝膠層在皮膚上的附著力
本研究開(kāi)發(fā)了一種基于豬皮明膠和甘油的可生物降解包封材料，作為上述技術(shù)的綠色和簡(jiǎn)單替代品。首先，制備了具有不同甘油/水含量比的豬皮明膠-甘油 (PGel-Gly) 去包封生物凝膠。然而，即使在 70℃下，當(dāng) mGly：m water的含量比超過(guò) 5：5 時(shí)，混合的 PGel-Gly 水溶液也會(huì)凝膠化，使其不適合進(jìn)一步使用。因此，本研究測(cè)量了其他制備的封裝生物凝膠（PGel/Gly）的機(jī)械性能，觀察到拉伸性和斷裂伸長(zhǎng)率隨著甘油含量的增加而增加（圖 4）。當(dāng)含量比達(dá)到 5:5 時(shí)，優(yōu)化的包封生物凝膠顯示出高機(jī)械強(qiáng)度 (470 kJ m?3)、拉伸性 (≈ 400% 應(yīng)變) 和拉伸強(qiáng)度 (≈250 kPa)，使其可用于實(shí)際應(yīng)用。與純豬皮明膠相比，甘油的添加使生物凝膠的韌性提高了 30 倍。此外，本研究的生物凝膠可以被壓縮到其原始高度的 70%，而純豬皮明膠在達(dá)到這個(gè)壓縮水平之前就會(huì)破裂。冷凍干燥后的 SEM 成像顯示純豬皮明膠具有無(wú)序的多孔結(jié)構(gòu)，而甘油包封生物凝膠具有致密和緊密的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，由于甘油和明膠鏈之間的物理交聯(lián)，甘油大大提高了生物凝膠的機(jī)械性能，這導(dǎo)致良好的柔韌性和彈性以適應(yīng)外部變形。
圖4 PGel-Gly 封裝生物凝膠層的機(jī)械、微壓痕和摩擦特性
根據(jù)以上研究結(jié)果，本研究組裝并測(cè)試了“Janus”生物凝膠貼片的相關(guān)性能（圖5）。正如預(yù)期的那樣，“Janus”生物凝膠貼片通過(guò)熱“焊接”在封裝層和粘附層之間形成非常緊密的界面。即使經(jīng)過(guò) 500 次彎曲循環(huán)，或在 -20 ℃下冷凍 24 小時(shí)后，雙層生物凝膠界面也沒(méi)有觀察到明顯的裂縫或斷裂；“Janus”生物凝膠在這些苛刻的操作后仍能承受彎曲和拉伸。這些結(jié)果表明“Janus”生物凝膠具有很強(qiáng)的界面穩(wěn)定性。圖 5b 中的顯微壓痕結(jié)果表明本研究的“Janus”生物凝膠貼片具有“Janus”粘附功能；一側(cè)表面可以緊緊粘附在塑料培養(yǎng)皿上，但另一側(cè)不能。此外，本研究的“Janus”生物凝膠貼片顯示出>80% 的部分透明度，這也可能為透明電子產(chǎn)品帶來(lái)希望。
圖5 “Janus”生物凝膠貼片的組裝及其在生物電子學(xué)中的多功能性
2. 總結(jié)與展望
總之，本研究開(kāi)發(fā)了一種“Janus”生物凝膠貼片，它同時(shí)具有不對(duì)稱粘附特性。使用簡(jiǎn)單的熱液澆鑄和溶膠-凝膠方法確保粘附和封裝生物凝膠層之間可靠的耦合界面。粘合生物凝膠層的強(qiáng)粘合力、低模量、超拉伸性和離子導(dǎo)電性確保生物電子與皮膚之間的保形接觸，而封裝層保護(hù)生物傳感器免受外部沖擊和設(shè)備與周圍環(huán)境的粘附。結(jié)合兒茶酚基團(tuán)的化學(xué)粘附、靜電相互作用和獨(dú)特的明膠鏈，粘合劑層對(duì)人體皮膚表現(xiàn)出體溫響應(yīng)性粘附。此外，由于致密的物理交聯(lián)和能量耗散能力，由明膠鏈和甘油組成的包封層表現(xiàn)出高韌性、抗?jié)衲Σ梁蛢?yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性（抗溶脹和抗干燥性能），使其成為具有潛力的材料。替代其他基于 PDMS/Ecoflex 的封裝材料。研究結(jié)果驗(yàn)證了本研究設(shè)計(jì)原理，并展示了“Janus”生物凝膠貼片作為透明設(shè)備-皮膚界面用于準(zhǔn)確測(cè)量和分類人類情緒的前景。
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?前段時(shí)間，我們談到女子偶像組合乃木坂46，因?yàn)閳F(tuán)體中有多位成員擔(dān)任雜志專屬模特，所以又被日本媒體稱為“模特團(tuán)”。不過(guò)，她們雖然都是模特，但是分別都有各自的雜志專屬。最近頻頻登上雜志封面的久保史緒里，便是《Seventeen》專屬模特的其中一員。
到底《Seventeen》是本什么類型的雜志，現(xiàn)役模特有哪些呢？
《Seventeen》，又被稱為“JK雜志”，由集英社于1968年6月創(chuàng)辦。刊載內(nèi)容涉及時(shí)尚、少女漫畫(huà)、藝能等多個(gè)領(lǐng)域，讀者對(duì)象主要是十多歲的少女。
?正因?yàn)椤禨eventeen》是以少女為消費(fèi)對(duì)象的雜志，所以專屬模特也是適齡的初高中生，一般到了20歲左右就會(huì)畢業(yè)離開(kāi)。畢業(yè)后她們有的會(huì)繼續(xù)當(dāng)模特，也有的會(huì)去當(dāng)演員、歌手等其他職業(yè)。像廣瀨鈴、飯豐萬(wàn)理江等超人氣演員，都曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)《Seventeen》的專屬模特。
?《Seventeen》目前現(xiàn)役專屬模特有26人，不但有清原果耶、久間田琳加等新生代人氣演員，也有我們熟悉的久保史緒里、小坂菜緒、山本彩加等偶像成員，模特陣容十分豪華。
清原果耶
橫田真悠
瑪茜彩
坂井仁香
復(fù)古傳奇1.76懷舊版手游以及傳奇手游無(wú)限充值 全解版 - 櫻花動(dòng)漫
紺野彩夏
八木莉可子
田鍋梨梨花
久間田琳加
久保史緒里（乃木坂46）
大友花戀
守護(hù)者之魂淘汰了嗎(守護(hù)者之魂是什么) - 櫻花動(dòng)漫
小坂菜緒（日向坂46）
山本彩加（NMB48）
田中杏奈
箭內(nèi)夢(mèng)菜
宮野陽(yáng)名
岡本莉音
成田愛(ài)純
出口夏希
永瀨莉子
櫻田日和
高橋愛(ài)麗絲
大友樹(shù)乃
秋田汐梨
雑賀櫻花
布里奇曼游七
瀨戶琴楓
以上便是《Seventeen》雜志的現(xiàn)役模特，她們看起來(lái)都青春時(shí)尚充滿活力，不知道哪位JK最符合你的理想型？
今日偶像
小坂菜緒
出生日期：2002年9月7日
出生地：大阪府
所屬團(tuán)體：日向坂46