西南交大魯雄ACS APPL MATER INTER：導電超強水凝膠基于生物高物分子模板調控原位形成導電高分子納米棒

導電水凝膠由于其具有高含水量、超強、可拉伸等特性，可廣泛應用于人工肌肉、軟骨修復、電子皮膚、生物傳感器等領域。然而，由于導電高分子不溶于水，難以分散在水凝膠的聚合物網絡中；且生物相容性差。因此，制備具有良好機械性能、導電性和生物相容性、可以在生物醫學領域廣泛應用的導電水凝膠仍是一種挑戰。

針對以上問題西南交通大學魯雄教授課題組提出用生物高分子為模版控制導電高分子通路在水凝膠中原位形成的設計策略，采用生物相容性良好的殼聚糖與丙烯酰胺形成互穿網絡水凝膠。以殼聚糖為模版誘導導電高分子單體在水凝膠中的吸附，并原位氧化聚合，從而使得導電高分子在殼聚糖分子的纏結區形成導電納米棒，成功制備出兼具導電、超強、可拉伸、生物相容性好的導電水凝膠。研究結果表明，這種通過殼聚糖分子模版控制導電聚合物聚吡咯在水凝膠中原位形成的導電通路，賦予該水凝膠良好的導電性能（0.3 S/m）。此外，由于氧化劑鐵離子可以與殼聚糖分子配位形成鏈纏結，從而形成物理交聯的第二網絡，賦予改水凝膠超強的機械性能（斷裂能12000 J/m²，壓縮模量 136 MPa），遠超常見的導電水凝膠。該超強導電水凝膠可作為傳感器用于檢測人體生理信號和作為藥物控釋系統用于電刺激藥物可控釋放。該研究成果以“Conductive and Tough Hydrogels Based on Biopolymer Molecular Templates for Controlling in Situ Formation of Polypyrrole Nanorods”為題在線發表于《ACS Applied materials &interface》。論文第一作者為在讀博士研究生甘東林。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1. 基于分子模板的導電水凝膠的設計思路

a）聚丙烯酰胺殼聚糖互傳網絡水凝膠的合成；b）殼聚糖分子模版誘導吡咯單體在水凝膠中的吸附，以及吡咯單體在殼聚糖纏結區富集；c）殼聚糖分子模版控制聚吡咯在水凝膠中原位形成，聚吡咯導電通路與殼聚糖鏈纏繞，聚吡咯納米棒在殼聚糖纏結區形成。

圖2. 水凝膠機械性能

a）水凝膠負載和打結拉伸展示；b）不同水凝膠壓縮應力應變曲線；c）不同殼聚糖含量的水凝膠壓縮強度；d）不同殼聚糖含量的水凝膠壓縮模量；e）不同水凝膠拉伸應力應變曲線；f）不同殼聚糖含量的水凝膠拉伸強度；g）不同殼聚糖含量的水凝膠拉伸模量；h）不同殼聚糖含量的導電水凝膠的斷裂能。

圖3. 水凝膠導電性能

a）導電水凝膠連接在水凝膠中并照亮LED燈；b）不同吡咯含量導電水凝膠的電導率；（c）水凝膠附著在作者的手腕上，通過檢測電流變化實時監測人體運動；（d）水凝膠作為應力傳感器來檢測負荷。

圖4導電水凝膠電刺激控制藥物釋放的檢測

圖4（a）導電水凝膠對地塞米松（DEX）負載和釋放示意圖。 當施加負電位時，通過氧化還原過程釋放藥物。 b）在沒有電刺激的情況下，DEX從PAM / CS水凝膠中釋放出來，而在PPy-PAM / CS水凝膠不釋放出DEX。 （c）在電刺激下，DEX從具有不同PPy含量的水凝膠中釋放。 （d）在不同電壓的電刺激下，DEX從20％PPy-PAM / CS水凝膠中釋放。

圖5導電水凝膠電刺激控制細胞的行為

a）高通量電刺激C2C12細胞示意圖；b-d）不同刺激電壓下，不同PPy含量對C2C12在水凝膠上增殖行為和形貌的影響。

圖6水凝膠用于修復大鼠層皮膚缺損模型。

a）水凝膠植入的示意圖。b）在植入不同時期后用PAM / CS，PPy-PAM / CS和EGF負載的PPy-PAM / CS處理皮膚缺損的外觀照片。c）隨之植入時間傷口愈合百分比。d）21天后，傷口切片的H&E染色。

圖7與現有導電復合水凝膠相比該水凝膠具有較強的機械性能和良好的導電性

【小結】

本研究設計了一種新型的基于生物高分子模板的方法來制備由CS和PPy組成的超強、導電、生物相容好的水凝膠。殼聚糖分子框架在親水性水凝膠基質中充當疏水性PPy納米棒的聚合模板，使得PPy納米棒均勻分布在PAM / CS IPN水凝膠中，從而形成導電通路以賦予水凝膠優良導電性。 這種由生物高分子模板控制的原位合成PPy納米棒的新策略，克服了疏水性導電聚合物難以均勻摻入親水性水凝膠中形成貫通導電網絡的難題，為導電水凝膠制備的提供新的設計思路。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-izz9pRSd58Fcqmie7YVW

本文由西南交通大學魯雄教授團隊供稿。

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