近年来，包括可穿戴应变传感器在内的柔性和弹性电子器件已被广泛考虑用于人机界面、运动识别、智能机器人和电子皮肤等不同领域。水凝胶因其高生物相容性以及接近生物组织的电气和机械性能而被提议作为用于先进生物电子学的合适材料。使用深共晶溶剂（DES）设计的导电水凝胶，具有出色的生物相容性、低成本和低蒸气压特性，导致了共晶凝胶等先进材料的发展。此外，柔性生物电子学的抗菌性能赋予对于防止植入设备感染、延长设备寿命等方面具有重要意义。
导电共晶凝胶在自愈和粘附性能方面存在挑战，但仍然在可穿戴传感器中很有前途。本研究介绍了一种基于新型可聚合低共熔溶剂（PDES）的多功能共晶凝胶，该溶剂通过在聚环糊精（PCD）/多巴胺接枝明胶 （Gel-DOP）/氧化藻酸钠（OSA）存在下掺入二烯丙基二甲基氯化铵（DADMAC） 和甘油制备。合成的共晶凝胶具有可逆的席夫基键、氢键和主客体相互作用，可在网络中断时实现快速自愈。这些共晶凝胶的抗菌效果达到90%，具有良好的生物相容性，可用作监测人体活动的传感器，具有很强的稳定性和耐久性。体内研究表明，共晶凝胶能改善伤口愈合过程，因此是生物敷料的有效选择。
方案1.共晶凝胶的合成示意图。
示意图说明了三重共晶凝胶的合成过程，并强调了基于新型可聚合深共晶溶剂的分子间相互作用（方案1）。
图1.Gel-DOP 的合成与表征。
在37 °C下反应24小时后，多巴胺分子接枝到明胶骨架上，但没有变黑，这表明多巴胺分子发生了不良聚合。Gel-DOP在280 nm波长处显示出明胶和多巴胺之间的最大吸光度，表明邻苯二酚基团成功地结合到了明胶分子上（图1）。
图2.聚环糊精 （PCD） 的合成和表征。
作为多功能主体聚合物应用的聚环糊精（PCD）是通过环糊精和环氧氯丙烷之间的缩聚反应合成的。为了生产水溶性PCD，在碱性环境中进行聚合，这激活了环糊精的羟基并促进了与环氧氯丙烷的反应（图2）。
图3. [DES]Gly/DADMAC的表征。
深共熔化合物主要由小的氢受体组成，其中分子内相互作用的破坏相对更直接。这里使用的可聚合氢受体化合物是DADMAC，其特点是分子结构较大。为了中断DADMAC的分子内相互作用，利用了甘油（Gly）的三个连续的羟基。因此，Gly 与DADMAC的集成为[DES]Gly/DADMAC创建了强大的氢键（图3）。
图4. GPDO-10共凝胶自修复特性的宏观研究。
为了定量评估GPDO-10共凝胶的自修复能力，在室温下使用拉伸试验研究了修复样品的机械性能。结果显示GPDO-10共凝胶的愈合效率百分比随着接触时间的增加而显著提高，10 min后达到94.35%。这些结果表明，与其他已报道的自修复水凝胶相比，GPDO-10共凝胶可以在短时间内恢复其机械性能并实现几乎完全愈合（图4）。
图5.电气性能评估。
定性地，通过使电流穿过样品并打开二极管灯来评估GPDO-10的电导率。通过切割共晶凝胶，灯被关闭，通过将两个切割部分相互连接并在共晶凝胶中产生自我修复，灯再次亮起，这表明共晶凝胶的快速自我修复（图5）。
图6. GPDO共晶凝胶的理化性质和微观结构。
所有共晶凝胶均具有多孔蜂窝形态，孔径>150 μm，有利于伤口愈合过程中细胞的迁移和营养运输（图6）。
图7.菌落含量测量。
为了评估GPDO-x共凝胶的抗菌效果，对两种类型的细菌进行了测试。与对照组相比，GPDO-x共凝胶的显着抗菌性能从细菌的生长显着减少中可见一斑。这一结果可归因于系统本身的固有特性以及海藻酸盐和Gel-DOP的掺入（图7）。
图8.伤口愈合的检测。
为了评估设计的GPDO-5和GPDO-10共晶凝胶用于伤口愈合应用的伤口愈合能力，应用了全层缺损模型。14 天后，与对照组和Tegaderm膜相比，用GPDO-5和GPDO-10共晶凝胶治疗的伤口愈合率显著更高（图8）。
图 9. TGPDO-10 共晶凝胶作为人体运动传感器的应用。
凝胶传感器对参与志愿者的手指、手腕、肘部、行走和皱眉等动作都有灵敏的反应。这进一步证实了GPDO-10共晶凝胶具有出色的自愈合能力，这将延长其作为柔性应变传感器的使用寿命（图9）。
总之，作者利用不同浓度的可聚合DES开发出了一系列三重网络共晶凝胶（PCD/Gel-DOP/OSA/[DES]Gly/DADMAC）。这些共晶凝胶具有自主自愈、粘附、抗菌和导电特性。提高深共晶溶剂（DES）的浓度可增强导电性，并有效抑制革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）的生长。此外，共晶凝胶还具有强大的组织粘附性和良好的细胞相容性，因此更适合用于伤口敷料和可穿戴传感器。在大鼠全厚皮肤缺损模型中，与对照组相比，GPDO-5和GPDO-10 共晶凝胶显示出更优越的治疗效果。组织学分析表明，GPDO-5和GPDO-10共晶凝胶通过促进毛囊发育、促进血管生成和增加胶原沉积来增强伤口愈合。由于共晶凝胶具有出色的导电性，因此可用作多功能传感器，以电的方式检测人体的大小动作。
近期，该研究成果以“Self-Healing, Electrically Conductive, Antibacterial, and Adhesive Eutectogel Containing Polymerizable Deep Eutectic Solvent for Human Motion Sensing and Wound Healing”为题发表于学术期刊《Biomacromolecules》，论文第一作者为Shaghayegh Vakili，通讯作者为赞詹大学的Ebrahim Ahmadi。
撰稿人：王平
审稿人：张志成
论文全文链接
https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00960
抗菌抗污材料前沿
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