摘要
具有出色粘附，生物降解性和電導率的多功能水凝膠在探索其生物應用方面引起了很多關(guān)注。近日，廈門大學林乃波團隊開發(fā)了一種多功能絲纖維蛋白（SF）水凝膠，該水凝膠用聚丙烯酸修飾。由于穩(wěn)定的化學交聯(lián)網(wǎng)絡和SF網(wǎng)絡的豐富羧酸基團，SF水凝膠由于足夠的內(nèi)聚力和界面相互作用而表現(xiàn)出74.34 kPa的高抗拉力強度。與大多數(shù)水凝膠相比，多功能SF水凝膠具有低腫脹比可提供出色的粘附，生物降解和電導率，在侵入性組織密封方面顯示出優(yōu)勢。在柔性傳感器中，使用自粘性SF水凝膠作為導電水凝膠也可用于可穿戴和可植入的電子設備領域，用于檢測生物電信號。
一、多功能SF水凝膠的制備
圖1 多功能SF水凝膠制備示意圖
作為一種蛋白質(zhì)材料，SF具有含有活性氨基酸（-NH2）的氨基酸殘基，而甲基丙烯酸乙二酯（GMA）的環(huán)氧基群可以在SF上與氨基組形成共價鍵。這里的SF通過甲基丙烯酸酯基成功激活。其次，用GMA接枝的SF與AA（丙烯酸）的光聚合反應。同時添加了α-酮酮谷氨酸（KGA）引發(fā)劑，以啟動SF和AA單體上甲基丙烯酸酯基團的自由基聚合，以形SF水凝膠。
二、PGS水凝膠的機械性能
圖2 PGS水凝膠機械性能圖
通過不同配比（SF:PAA = 5:5~9:1）研究PGS水凝膠的拉伸、壓縮及斷裂特性。結(jié)果表明：①力學性能可調(diào)，當SF:PAA=7:3時，斷裂強度最高（312 kPa）；配比為8:2時，拉伸應變最大（424.6%）。②組織相容模量，拉伸模量（0.4 kPa）與壓縮模量（107 kPa）與軟組織匹配，適合生物醫(yī)學應用。③優(yōu)異回彈性，50%應變下幾乎無機械滯后，8次循環(huán)后強度保持率≈98%，歸因于PAA-SF雙網(wǎng)絡的協(xié)同作用。
三、多功能水凝膠的粘附
圖3 多功能水凝膠粘附圖
評估PGS水凝膠的粘附性能結(jié)果表明：
（1） 優(yōu)異的組織粘附性：PGS水凝膠對豬皮的剪切強度高達64kPa，遠高于其他生物組織；
（2） 廣泛適用性：在非生物材料表面（如玻璃、鋼、PDMS）仍保持良好粘附（≈15 kPa）。
（3）粘附機制：PAA網(wǎng)絡提供豐富羧酸基團，通過氫鍵和靜電作用增強界面結(jié)合；SF-PAA化學交聯(lián)網(wǎng)絡賦予高內(nèi)聚力，防止撕裂。
四、多功能水凝膠的體外降解和溶脹特性
圖4 多功能水凝膠體外降解和腫脹特性圖
溶脹機制，水凝膠吸水能力受交聯(lián)密度和化學組成影響。PBS中離子滲透可延緩溶脹平衡，而高極性水分子加速降解。PGS水凝膠的pH響應性與保水性能結(jié)果表明，①pH依賴性溶脹行為：溶脹率呈鐘形曲線：pH=7時達峰值（1.4），在酸堿環(huán)境中均降低；②跨生理pH穩(wěn)定性：在口腔（pH 6.6-7.1）、血液（pH 7.4）等生理環(huán)境中保持穩(wěn)定溶脹；③優(yōu)異保水能力：30小時內(nèi)快速吸水達70%飽和度，隨后保持平衡。
五、多功能水凝膠的電導率、生物相容性
圖5 多功能水凝膠電導率、生物相容性圖
PGS水凝膠的導電性能研究表明：
（1） 最佳導電配比：當SF:PAA質(zhì)量比為8:2時，電導率達峰值（3.2 S/m），AA增加提升載流子濃度，但過量交聯(lián)會阻礙離子遷移。
（2） 界面特性：高頻區(qū)（10? Hz）阻抗僅55Ω，相角4.4°，顯示優(yōu)異電極接觸性，低頻區(qū)（0.1 Hz）阻抗升至74.8kΩ，反映界面阻抗主導。
（3） 穩(wěn)定性能：粘附前后阻抗/相角一致，證明界面穩(wěn)定性。
PGS水凝膠的生物相容性性能研究表明：PGS水凝膠具有高度生物相容性，為其生物醫(yī)學應用（如神經(jīng)修復）提供了安全性基礎。
這些特性使其在柔性電子、生物傳感器、生物醫(yī)學領域具有應用潛力。
六、生物醫(yī)學中的應用
圖6 豬皮組織在短期內(nèi)用PGS水凝膠密封圖
圖7 導電水凝膠粘附皮膚研究圖
圖8 PGS水凝膠作為EMC導電水凝膠應用
研究顯示： PGS水凝膠可在2秒內(nèi)有效密封豬胃、肺、心臟及血管（直徑5mm穿孔），阻止液體/氣體泄漏。PGS水凝膠在可穿戴領域具有高精度ECG監(jiān)測能力，與商用Ag/AgCl電極性能相當，清晰捕獲P-QRS-T波形。PGS水凝膠作為柔性應變傳感器制造，以直接連接到皮膚上，以監(jiān)測各種人類活動。結(jié)果表明PGS水凝膠具有良好的生物相容性、導電性、柔韌性和長效粘附能力，為組織修復與智能醫(yī)療監(jiān)測提供革新性解決方案。
結(jié)論
該研究成功開發(fā)了一種基于丙烯酸（AA）與絲素蛋白（SF）的雙網(wǎng)絡水凝膠，兼具優(yōu)異力學性能、粘附性能和生物相容性。PGS水凝膠為可穿戴設備提供了新的機會?？梢杂米髯哉承陨韺щ娔z，以準確記錄心電圖（ECG），肌電圖（EMG）等。此外，可以將PGS水凝膠發(fā)展為運動傳感器，能夠收集有關(guān)組織運動和監(jiān)測組織狀態(tài)的數(shù)據(jù)。該研究為設計和構(gòu)建用于生物醫(yī)學應用的多功能SF水凝膠提供了有效的策略。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c18548
文章信息
Hu X, Chen J, Yan Z, et al. Multifunctional Silk Fibroin Hydrogels with Strong Adhesion for Tissue Sealing and Wearable Electronic Sensors[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025.
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