摘要

具有出色粘附，生物降解性和电导率的多功能水凝胶在探索其生物应用方面引起了很多关注。近日，厦门大学林乃波团队开发了一种多功能丝纤维蛋白（SF）水凝胶，该水凝胶用聚丙烯酸修饰。由于稳定的化学交联网络和SF网络的丰富羧酸基团，SF水凝胶由于足够的内聚力和界面相互作用而表现出74.34 kPa的高抗拉力强度。与大多数水凝胶相比，多功能SF水凝胶具有低肿胀比可提供出色的粘附，生物降解和电导率，在侵入性组织密封方面显示出优势。在柔性传感器中，使用自粘性SF水凝胶作为导电水凝胶也可用于可穿戴和可植入的电子设备领域，用于检测生物电信号。

一、多功能SF水凝胶的制备 

图1 多功能SF水凝胶制备示意图

作为一种蛋白质材料，SF具有含有活性氨基酸（-NH2）的氨基酸残基，而甲基丙烯酸乙二酯（GMA）的环氧基群可以在SF上与氨基组形成共价键。这里的SF通过甲基丙烯酸酯基成功激活。其次，用GMA接枝的SF与AA（丙烯酸）的光聚合反应。同时添加了α-酮酮谷氨酸（KGA）引发剂，以启动SF和AA单体上甲基丙烯酸酯基团的自由基聚合，以形SF水凝胶。

二、PGS水凝胶的机械性能

图2 PGS水凝胶机械性能图

通过不同配比（SF:PAA = 5:5~9:1）研究PGS水凝胶的拉伸、压缩及断裂特性。结果表明：①力学性能可调，当SF:PAA=7:3时，断裂强度最高（312 kPa）；配比为8:2时，拉伸应变最大（424.6%）。②组织相容模量，拉伸模量（0.4 kPa）与压缩模量（107 kPa）与软组织匹配，适合生物医学应用。③优异回弹性，50%应变下几乎无机械滞后，8次循环后强度保持率≈98%，归因于PAA-SF双网络的协同作用。

三、多功能水凝胶的粘附

图3 多功能水凝胶粘附图

评估PGS水凝胶的粘附性能结果表明：

（1） 优异的组织粘附性：PGS水凝胶对猪皮的剪切强度高达64kPa，远高于其他生物组织；

（2） 广泛适用性：在非生物材料表面（如玻璃、钢、PDMS）仍保持良好粘附（≈15 kPa）。

（3）粘附机制：PAA网络提供丰富羧酸基团，通过氢键和静电作用增强界面结合；SF-PAA化学交联网络赋予高内聚力，防止撕裂。

四、多功能水凝胶的体外降解和溶胀特性

图4 多功能水凝胶体外降解和肿胀特性图

溶胀机制，水凝胶吸水能力受交联密度和化学组成影响。PBS中离子渗透可延缓溶胀平衡，而高极性水分子加速降解。PGS水凝胶的pH响应性与保水性能结果表明，①pH依赖性溶胀行为：溶胀率呈钟形曲线：pH=7时达峰值（1.4），在酸碱环境中均降低；②跨生理pH稳定性：在口腔（pH 6.6-7.1）、血液（pH 7.4）等生理环境中保持稳定溶胀；③优异保水能力：30小时内快速吸水达70%饱和度，随后保持平衡。

五、多功能水凝胶的电导率、生物相容性

图5 多功能水凝胶电导率、生物相容性图

PGS水凝胶的导电性能研究表明：

（1） 最佳导电配比：当SF:PAA质量比为8:2时，电导率达峰值（3.2 S/m），AA增加提升载流子浓度，但过量交联会阻碍离子迁移。

（2） 界面特性：高频区（10⁶ Hz）阻抗仅55Ω，相角4.4°，显示优异电极接触性，低频区（0.1 Hz）阻抗升至74.8kΩ，反映界面阻抗主导。

（3） 稳定性能：粘附前后阻抗/相角一致，证明界面稳定性。

PGS水凝胶的生物相容性性能研究表明：PGS水凝胶具有高度生物相容性，为其生物医学应用（如神经修复）提供了安全性基础。

这些特性使其在柔性电子、生物传感器、生物医学领域具有应用潜力。

六、生物医学中的应用

图6 猪皮组织在短期内用PGS水凝胶密封图

图7 导电水凝胶粘附皮肤研究图

图8 PGS水凝胶作为EMC导电水凝胶应用

研究显示： PGS水凝胶可在2秒内有效密封猪胃、肺、心脏及血管（直径5mm穿孔），阻止液体/气体泄漏。PGS水凝胶在可穿戴领域具有高精度ECG监测能力，与商用Ag/AgCl电极性能相当，清晰捕获P-QRS-T波形。PGS水凝胶作为柔性应变传感器制造，以直接连接到皮肤上，以监测各种人类活动。结果表明PGS水凝胶具有良好的生物相容性、导电性、柔韧性和长效粘附能力，为组织修复与智能医疗监测提供革新性解决方案。

结论

该研究成功开发了一种基于丙烯酸（AA）与丝素蛋白（SF）的双网络水凝胶，兼具优异力学性能、粘附性能和生物相容性。PGS水凝胶为可穿戴设备提供了新的机会。可以用作自粘性生理导电凝胶，以准确记录心电图（ECG），肌电图（EMG）等。此外，可以将PGS水凝胶发展为运动传感器，能够收集有关组织运动和监测组织状态的数据。该研究为设计和构建用于生物医学应用的多功能SF水凝胶提供了有效的策略。

原文链接：

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.