【背景介绍】
到2025年，估计每天将产生600万吨的垃圾，而技术可处置者将迅速增长。报废设备包含难以回收的有价值材料或有毒物质，这些物质很容易通过填埋或不当处理释放到自然界中。可生物降解和瞬态系统是有望关闭废物产生循环并为安全系统创造新机会的有前途的途径，但通常以牺牲性能为代价。基于明胶的凝胶是一种有前途的选择，因为此类生物聚合物无需合成即可轻松衍生，允许使用水溶性添加剂，由于降解速度快而对环境无害，甚至可以食用。明胶是人类已知的千年历史，它是从天然胶演变成照相胶片，食品生产，化妆品和药物中广泛使用的材料。明胶的应用现已跨越药物输送和骨组织工程的各个领域，其中包括三维（3D）打印的支架和体内运行的（微型）机器人。
【科研摘要】
具有良好的机械性能，可调性，可修改性或修复性能的软机器人，组织工程学或可拉伸电子产品的可生物降解和生物相容性弹性材料推动了技术的进步，但它们在环境条件下并不耐用，并且不能将所有特性组合在一个平台中。最近，奥地利林茨大学Martin Kaltenbrunner教授团队开发了一种多用途的基于明胶的生物凝胶，该凝胶具有高弹性，但在处置后会完全降解。明胶可自粘，可快速治愈，完全来源于天然和食品安全成分。作者将所有有利的属性合并到一种材料中，该材料易于复制和扩展，并且在环境条件下的生产成本较低。这种生物凝胶是迈向可持续，逼真的软机器人和电子系统的一步，该系统具有可持续性并紧密模仿其自然原型。相关成果以题为“Resilient yet entirely degradable gelatin-based biogels for soft robots and electronics”发表在7月《Nature Materials》杂志上。
【图文探讨】
纤维素作为一种常见的结构多糖，可作为纺织品外骨骼，用于柔软的气动生物凝胶致动器（图1a），该致动器设计用于动态环境。将生物凝胶与结构化的锌电极结合在一起，可以使传感器皮肤完全降解（图1b），这为将来的模仿自己皮肤的生物医学设备铺平了道路。机械弹性生物凝胶是临时安装或经常更新的应用的理想材料，一旦触发，它会在几天之内分解成结构块（图1c），从而从瞬态设备中获利。根据经济合作与发展组织的标准（图1d），废水中的细菌会在5天之内将生物凝胶酶解，从而使生物凝胶易于生物降解。如果需要，使用基于虫胶树脂的疏水性可生物降解涂层策略，该生物凝胶在水性介质中甚至在模拟的胃液中的溶解开始会大大延迟（视频3）。包被的生物凝胶在浸入水中48 h或在酸性溶液（pH 2.1）中浸入24 h后均未显示溶解迹象。在碱性溶液（此处为pH 8.1）中触发封装层的降解，然后使生物凝胶完全溶解。这可能为在水中或体内可生物降解的应用开辟道路。
图1.有弹性但可完全降解的生物凝胶。
视频3
从电子皮肤到机器人技术，各种各样的新兴软机电系统都需要一套可靠且耐用的材料，并具有易于调节的机械性能。通过改变明胶的量，将生物凝胶的E和最终（工程）应力（σu）调整了一个数量级（分别为30至300 kPa和10至140 kPa），两者的比例都接近与明胶浓度成指数关系（图2a）。同时，极限应变（εu）从180％线性应变增加到了325％（图2b）。加入28 wt％的糖浆可以使生物凝胶具有高延展性，从而增加σu和εu（图2c，d）。糖（和甘油）作为助溶剂的加入可驱动生物聚合物-生物聚合物（螺旋-螺旋）缔合，增强凝胶化作用并热力学稳定明胶，对网络的形成总体上产生有利影响。克服了富水聚合物的缺点-在环境条件下使用时，水凝胶会由于游离水的流失而遭受脱水的困扰，用非挥发性食品添加剂甘油（一种柔软剂和保湿剂）代替了大比例的水，以减少水的含量。降低的水甘油比可延长储存时间和稳定性，而不会影响机械性能。因此，当在环境条件下存储100小时后（图2e），与生物凝胶脱水相关的重量损失从25％（G1620配方）降低到<5％（g1644配方）。即使在非常干燥的环境（23°c和20％相对湿度（rh））下也保持在10％以下。此外，增加甘油浓度（从20％到36％wt％）可以消除不需要的材料变硬（图2f），并在环境空气中的392d储存时间内获得几乎恒定的机械性能（图2g）。这些修改实现了可靠的应力应变行为和形状稳定器件的制造（图2h）。一年内未观察到材料降解的迹象。这些实验仅是由于时间限制而停止，这表明< span="">该生物凝胶在更长的时间段内都是稳定的。通过添加柠檬酸降低生物凝胶的pH值可防止细菌生长，但不影响其可拉伸性（图2i）。选择成分浓度后，作者可以设计出一种不会干燥的可变形且富有弹性的生物凝胶，适用于在20-80％RH的湿度范围内运行的软机器人应用。通过将生物凝胶盘充气成气球形状（图2j）进行的双轴拉伸测试证实了超过1000％的面应变。作者使用有限元方法（FEM）对整个充气气球的应变分布进行建模，该方法在其顶点处显示242％的线性应变（图2k），相当于超过1000％的面应变（图2l）。
图2.明胶生物凝胶的可调性，稳定性和极端力学。
生物凝胶独特地结合了高性能和可降解性，使其适用于柔软的（生物）机器人，医疗器械和应用后丢弃的工业机器人抓手。这里展示了受大象鼻子启发的柔软气动执行器的潜力。气动执行器的s形运动达到其尖端最大10厘米的位移（图3a）。该致动器由带有柔性进气口的生物凝胶铸管和由钩编棉纤维制成的纺织外骨骼组成，该外骨骼引导运动（图3b）。选择了两种图案设计来产生s形和u形（简单弯曲）运动，模仿行李箱的举升和抓斗动作。通过以恒定的压力对连接到力传感器的板上的U型致动器充气来监控致动循环的次数。由高水/甘油比生物凝胶（G2420）制成的执行器可承受10,000次循环（约10小时的恒定执行力），并有望在中等耐用性足够的应用中使用。使用力调节的建立（调节致动压力和频率）升压循环寿命超过33万次循环而不失效（图3C）。执行器操作超过1.5小时，约2000次循环，即使在食用油包被的情况下也能在水下运行。
图3.用于软致动器的弹性生物凝胶。
生物凝胶的修复或组装是通过在裂缝附近进行短暂的局部熔化或用红外激光切割来实现（图4a）。在不到10分钟的处理时间之内，对先前解剖的生物凝胶的激光修复基本上可以完全恢复其原始机械性能（图4b）。使用这种激光辅助快速愈合（LARH）将具有不同E值（1.4、0.4 和0.2 MPa）的生物凝胶组装成梯度模量凝胶。这样的模量梯度生物凝胶的单轴拉伸将最坚硬部分的应变降低了90％，总应变为50％（图4c）。与LARH的快速组装使能够实现复杂的3D形状，例如三叶结（图4d），或为可伸缩电子产品量身定制的复杂基板。接着使用生物凝胶（图4e）制造了具有温度，湿度和应变传感器的可生物降解的，可拉伸的多峰电子皮肤。减少手指的数量并增加其间距可以使柔软的生物凝胶上的电极发生较大位移，并使应变传感器具有线性响应，但在循环拉伸下没有滞后现象（图4h和图4i，j的扩展数据） 。传感器的皮肤监测到靠近热杯的温度变化（图4i），由抽吸引起的湿度变化（图4j）或皮肤变形（图4k）。本质上粘附的生物凝胶粘附在各种表面上，如90°剥离测试所证明（图4l）。尤其是，即使在扭曲或摇晃的情况下，也能与人的皮肤形成稳定的界面，此外，它还可以去除传感器贴片而不会刺激皮肤。佩戴7小时后，没有皮肤刺激的迹象。如果用滑石粉覆盖，则可以实现非粘性版本。
图4.柔软且可降解的电子传感器贴片。
【陈述总结】
总而言之，作者为软机器人，电子皮肤和医疗保健介绍了一组可生物降解的弹性材料，这些材料可愈合，可变形，自粘并耐脱水。运用材料方法创建了一套新的耐用的可生物降解的软致动器和具有多模式传感功能的自主电子平台。可能的应用范围从可食用的机器人技术，产品收获或动物行为研究到危险环境或医疗环境中的单次使用场景，在这些场景中，通常在使用工具和医疗设备后为了满足卫生要求而将其丢弃。可在水下长时间运行的可植入电子设备或机器人仍然需要疏水，柔软且可拉伸的可生物降解涂层。对于未来可生物降解的技术，该方法代表了一种节俭，对环境无害且廉价的途径，从而避免了微塑料的产生，并且在与其他生命形式相互作用时具有内在的安全性。
【通讯简介】
2008年，获约翰内斯·开普勒大学技术物理学硕士（优等生），2010-2012年，东京大学工学院电气工程与信息系统学系Prof. Takao Someya课题组访问学者，2012年获林茨约翰内斯·开普勒大学技术物理博士学位（以优异成绩获得）。2012-2014年，在东京大学工程学院电气工程与信息系统系从事博士后研究员，师从Prof. Takao Someya。2014-2016年，加入约翰内斯·开普勒大学林茨分校软物质物理系任助理教授。2017年升任副教授，2019年软物质物理部门负责人，LIT软材料实验室负责人。
课题组：
www.jku.at/en/institute-of-experimental-physics/soft-matter-physics/about-us/team/martin-kaltenbrunner/
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0699-3
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