西南交大鲁雄ACS APPL MATER INTER：导电超强水凝胶基于生物高物分子模板调控原位形成导电高分子纳米棒

导电水凝胶由于其具有高含水量、超强、可拉伸等特性，可广泛应用于人工肌肉、软骨修复、电子皮肤、生物传感器等领域。然而，由于导电高分子不溶于水，难以分散在水凝胶的聚合物网络中；且生物相容性差。因此，制备具有良好机械性能、导电性和生物相容性、可以在生物医学领域广泛应用的导电水凝胶仍是一种挑战。

针对以上问题西南交通大学鲁雄教授课题组提出用生物高分子为模版控制导电高分子通路在水凝胶中原位形成的设计策略，采用生物相容性良好的壳聚糖与丙烯酰胺形成互穿网络水凝胶。以壳聚糖为模版诱导导电高分子单体在水凝胶中的吸附，并原位氧化聚合，从而使得导电高分子在壳聚糖分子的缠结区形成导电纳米棒，成功制备出兼具导电、超强、可拉伸、生物相容性好的导电水凝胶。研究结果表明，这种通过壳聚糖分子模版控制导电聚合物聚吡咯在水凝胶中原位形成的导电通路，赋予该水凝胶良好的导电性能（0.3 S/m）。此外，由于氧化剂铁离子可以与壳聚糖分子配位形成链缠结，从而形成物理交联的第二网络，赋予改水凝胶超强的机械性能（断裂能12000 J/m²，压缩模量 136 MPa），远超常见的导电水凝胶。该超强导电水凝胶可作为传感器用于检测人体生理信号和作为药物控释系统用于电刺激药物可控释放。该研究成果以“Conductive and Tough Hydrogels Based on Biopolymer Molecular Templates for Controlling in Situ Formation of Polypyrrole Nanorods”为题在线发表于《ACS Applied materials &interface》。论文第一作者为在读博士研究生甘东林。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1. 基于分子模板的导电水凝胶的设计思路

a）聚丙烯酰胺壳聚糖互传网络水凝胶的合成；b）壳聚糖分子模版诱导吡咯单体在水凝胶中的吸附，以及吡咯单体在壳聚糖缠结区富集；c）壳聚糖分子模版控制聚吡咯在水凝胶中原位形成，聚吡咯导电通路与壳聚糖链缠绕，聚吡咯纳米棒在壳聚糖缠结区形成。

图2. 水凝胶机械性能

a）水凝胶负载和打结拉伸展示；b）不同水凝胶压缩应力应变曲线；c）不同壳聚糖含量的水凝胶压缩强度；d）不同壳聚糖含量的水凝胶压缩模量；e）不同水凝胶拉伸应力应变曲线；f）不同壳聚糖含量的水凝胶拉伸强度；g）不同壳聚糖含量的水凝胶拉伸模量；h）不同壳聚糖含量的导电水凝胶的断裂能。

图3. 水凝胶导电性能

a）导电水凝胶连接在水凝胶中并照亮LED灯；b）不同吡咯含量导电水凝胶的电导率；（c）水凝胶附着在作者的手腕上，通过检测电流变化实时监测人体运动；（d）水凝胶作为应力传感器来检测负荷。

图4导电水凝胶电刺激控制药物释放的检测

图4（a）导电水凝胶对地塞米松（DEX）负载和释放示意图。 当施加负电位时，通过氧化还原过程释放药物。 b）在没有电刺激的情况下，DEX从PAM / CS水凝胶中释放出来，而在PPy-PAM / CS水凝胶不释放出DEX。 （c）在电刺激下，DEX从具有不同PPy含量的水凝胶中释放。 （d）在不同电压的电刺激下，DEX从20％PPy-PAM / CS水凝胶中释放。

图5导电水凝胶电刺激控制细胞的行为

a）高通量电刺激C2C12细胞示意图；b-d）不同刺激电压下，不同PPy含量对C2C12在水凝胶上增殖行为和形貌的影响。

图6水凝胶用于修复大鼠层皮肤缺损模型。

a）水凝胶植入的示意图。b）在植入不同时期后用PAM / CS，PPy-PAM / CS和EGF负载的PPy-PAM / CS处理皮肤缺损的外观照片。c）随之植入时间伤口愈合百分比。d）21天后，伤口切片的H&E染色。

图7与现有导电复合水凝胶相比该水凝胶具有较强的机械性能和良好的导电性

【小结】

本研究设计了一种新型的基于生物高分子模板的方法来制备由CS和PPy组成的超强、导电、生物相容好的水凝胶。壳聚糖分子框架在亲水性水凝胶基质中充当疏水性PPy纳米棒的聚合模板，使得PPy纳米棒均匀分布在PAM / CS IPN水凝胶中，从而形成导电通路以赋予水凝胶优良导电性。 这种由生物高分子模板控制的原位合成PPy纳米棒的新策略，克服了疏水性导电聚合物难以均匀掺入亲水性水凝胶中形成贯通导电网络的难题，为导电水凝胶制备的提供新的设计思路。

文章链接：https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-izz9pRSd58Fcqmie7YVW

本文由西南交通大学鲁雄教授团队供稿。

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