中国科学院研究員張珽チーム：電気紡績繊維複合ゲルに進展

   中国科学院蘇州ナノテクノロジー・ナノバイオ研究所の張珽研究員チームは「ナノマイクロ速報」（Nano-Micro Letters）で最新の研究成果を発表した。本研究は、電気紡績繊維ネットワークをヒドロゲル中に埋め込むことにより、超薄構造と優れた力学特性を同時に有する複合ヒドロゲル薄膜（<5μm）を構築する。繊維複合ヒドロゲルは、ほとんどの生体組織および器官のモジュラスと一致する広範な可変モジュラス（〜5 kPa〜数十MPa）を提供する。超薄型の構造と超柔軟特性は、電気紡績繊維複合ヒドロゲルを様々な粗面にシームレスに付着させることができ、密着型バイオエレクトロニクスデバイスを構築するための理想的な材料である。 

繊維複合ヒドロゲルフィルムは、静電紡糸、スピンコーティング、凍結融解の併用技術に基づいて構築された（図1）。静電紡糸時間、スピンコーティング時間と凍結融解回数を調節することにより、繊維複合ヒドロゲル薄膜の理化特性の調節（厚さ5ミクロンからミリ、弾性率数千パから数十メガパ）を実現する。例えば、紡糸時間を増加させることにより、繊維複合ヒドロゲルフィルムの機械的性質を著しく向上させることができる、スピンコーティング速度を高めることは、繊維複合ヒドロゲル薄膜の厚さを下げるのに有利である、凍結融解回数を増やすことで、ヒドロゲル自体の弾性率を高めることができる。繊維複合ヒドロゲルは優れた力学的強度を持ち、厚さ7ミクロンのヒドロゲルフィルム1枚で20 gの物体を容易に持ち上げることができる。また、包埋された繊維ネットワークは応力集中による亀裂増幅を効果的に抑制し、繊維複合ヒドロゲルフィルムに優れた耐引裂性能を付与することができる（図2）。 

図1繊維複合ヒドロゲルの設計と製造

図2繊維複合ヒドロゲル薄膜の力学的性質

従来のヒドロゲル材料は水を失いやすいという欠点があり、長期間空気中に暴露すると、系水分の蒸発によりヒドロゲル系が失効する。本研究は繊維複合ヒドロゲル系に保水剤としてグリセリンを添加することにより、複合ヒドロゲル系に優れた耐失水性を持たせた。空気にさらされてから7日後も、優れた柔軟性を備えています。また、繊維複合ヒドロゲルの導電性を改善するために、グリセリン/NaCl系は繊維複合ヒドロゲルを空気中で長期にわたって高い導電性能を維持している（図3）。

図3繊維複合ヒドロゲルフィルムの耐水性

繊維複合ヒドロゲル薄膜の超軟と超薄の特性のおかげで、それは各種の異なる粗面へのシームレスな貼り付けを実現することができ、その広範な調整可能な力学性能はほとんどすべての生物軟組織（例えば脳、肝臓、心臓、肺と皮膚）の弾性率に対する完璧な適合を実現することができ、組織に伴って組織を損傷することなく変形を発生することができ、フレキシブル生体電子デバイスを構築するための理想的な材料である（図4）。 

図4繊維複合ヒドロゲルフィルムの柔軟性と密着性

グリセリン／NaCl系に基づく繊維複合ヒドロゲルから構築された密着型生物電極は、市販のゲル電極よりも優れた信号対雑音比と長期使用性能を有する。商用ゲル電極は長期（48 h）空気中に暴露すると水を失うため性能を失うことがあり、グリセリン/NaCl系の繊維複合ヒドロゲル電極は7日後も良好な信号対雑音比を維持し、人体の筋電信号の収集を実現することができる。グリセリン/NaCl系の繊維複合ヒドロゲル電極は人体筋電気信号を検出するために用いられ、異なる運動姿勢と異なる運動強度の筋肉電気信号の監視を実現することができる（図5）。

図5繊維複合ヒドロゲル電極を用いた人体筋電信号モニタリング

研究者は電気紡績繊維ネットワークをヒドロゲルに包埋することにより、超軟質、超薄型、力学増強複合ヒドロゲルを製造する新しい戦略を開発した。この仕事