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第一作者：杨琴
通讯作者：杨琴、周元臻、李剑利
第一通讯单位：西安建筑科技大学
论文DOI：10.1002/adfm.202413080
设计和制造用于快速伤口愈合和实时监测的新型软生物电子材料对于智能医疗至关重要。然而，由于制造动力学和传感界面问题，开发此类集成多功能材料设备仍具有挑战性。本文报道了一种集抗菌、电疗和伤口监测功能于一体的双金属酚醛网络水凝胶新策略。研究表明，Al3+和银与木质素协同催化了丙烯酸的自由基共聚反应，使系统在10 s内凝胶化，这种协同催化也诱导了儿茶酚的持续释放，显著增强了水凝胶的抗菌活性，缩短了伤口愈合过程。同时，丰富的非共价相互作用增强了水凝胶的组织粘附性、导电性和机械性能（拉伸强度 1.558 Mpa，伸长率 1563%）。在电刺激与抗菌因子的协同作用下，伤口愈合速度加快。此外，通过监测伤口上电信号的变化，可以对伤口进行评估，从而帮助医生和患者实现智能伤口管理。本研究为多功能智能生物电子材料的设计和应用提供了新的见解。软生物电子材料因其良好的生物相容性、出色的机械兼容性和适合功能设计的特性被广泛应用于生物组织工程、柔性可穿戴设备和软机器人等领域。设计用于皮肤伤口治疗和监测的新型柔性生物电子材料对其在生物医学领域的实际应用至关重要。导电水凝胶不仅具有良好的生物相容性、多因素协同抗菌以及界面湿伤口愈合的特性，而且具有良好的传感能力。因为伤口形状各异且组织渗出物会腐蚀金属电极使得传统电刺激疗法的效果有限。导电水凝胶能有效覆盖伤口并吸收渗出物且可以使外加电场在伤口上均匀分布，从而加速伤口愈合。然而，由于电子学和生物学之间的不相容性，设计兼具良好抗菌活性、低毒性、优异机械性能和生物组织粘附性的导电水凝胶仍具有挑战性。1. 在没有光或加热的条件下，Al3+和Ag-Lignin NPs协同可以迅速构建PALA双金属酚醛网络水凝胶。
2. PALA水凝胶在30次皮肤粘附循环后仍保持良好的粘附性能，且能够在不留下残留物或引起过敏反应的情况下从人体皮肤上剥离下来。
3. PALA+ES协同加速了伤口愈合。此外，基于水凝胶的敏感和稳定的传感特性，构建了一个灵活的设备，用于实时监测伤口愈合过程，该设备可以通过观察电阻变化来监测伤口愈合过程。![]()
图1 a)由Ag-Lig-Al3+的动态氧化还原体系引发的水凝胶凝胶化。b)透射电镜显微镜图显示了Ag-LigNP的核壳结构和Ag元素的EDS映射。c)PALA水凝胶结构的扫描电镜图和Ag和Al元素的EDS定位。d)PAA、PAL和PALA水凝胶的FTIR值。e)Ag-LigNP、PAA、PAL、PALA水凝胶的XRD。本文展示了双金属酚醛网络基自粘附、抗菌和导电PALA水凝胶的设计策略（图1）。包括通过Ag-Lig-Al3+动态氧化还原系统触发的水凝胶凝胶化过程（图1a），TEM图可以观察到Ag-Lignin
NPs的核壳结构，EDS分析可知其中O、C、Ag元素均存在且分布均匀（图1b）。PALA水凝胶结构EDS分析可知其中O、C、Ag、Al元素均匀分布在水凝胶内部（图1c）。通过FTIR和XRD分析确认了PALA水凝胶中形成的配位复合物。![]()
图2 a)不同Ag-Lig NP含量的PAL水凝胶和b)不同Al3+含量的PALA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。c)PAA、PAL12.5、PAL5A20和PAL12.5A20水凝胶的拉伸应力-应变曲线。d)PALA水凝胶在100-700%时连续装卸循环后的拉伸应力-应变曲线。e)不同装卸循环下，500%最大应变后的拉伸应力-应变曲线。f)PAA、PAL12.5、PAL5A20和PAL12.5A20水凝胶的杨氏模量-断裂能。g)湿度对PALA水凝胶力学性能的影响。h)本工程与其他工程的力学性能比较。图2a-b所示不同Ag-Lig NP含量的PAL水凝胶和不同Al3+含量的PALA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。图2c显示Al3+的加入显著提高了水凝胶的机械性能，PALA水凝胶的断裂强度和断裂应变分别达到了1.558 MPa和1563%。通过连续装卸循环测量实验，作者研究了PALA水凝胶的能量耗散机制和弹性行为。![]()
图3 水凝胶粘附于a)不同材料和b)生物组织的照片。c)PALA水凝胶作为粘附剂粘附于猪皮肤的照片，当水凝胶粘附于人体后，皮肤上没有残留物。d) Ag NPs和e) Al3+含量对PALA水凝胶粘附强度的影响。f) PALA水凝胶附着于不同材料强度的空气和水上。g) PALA水凝胶粘附在皮肤上30个循环。h)PALA水凝胶的粘附机理示意图。PALA水凝胶能够在空气和水中对多种基材展现出长期和可重复的粘附性，在30次皮肤粘附循环后仍保持良好的粘附性能，且能够在不留下残留物或引起过敏反应的情况下从人体皮肤上剥离下来，这对未来在生物医学、柔性电子等领域的实际应用具有重要意义。![]()
图4 a)抗菌活性（大肠杆菌）和b)PAA、Ag-Lig NP、PAL、PAA/Al3+和PALA水凝胶的抗菌区直径。c)生物相容性，以及d)PAL和PALA水凝胶的相对细胞活力。e)水凝胶的抗菌剂示意图。含有Ag-Lig NPs和Al3+的PALA水凝胶展现出最强的抗菌效果，其抑制区域直径最大，证实了双金属酚醛网络水凝胶具有显著的协同抗菌活性。PALA水凝胶还具有良好的生物相容性。![]()
图5 a)醌自由基检测的电子自旋共振光谱（ESR）光谱。PALA水凝胶的XPS光谱，b) Al
2p和d) Ag 3d。c)PAA、PAL5、PAL12.5、PALA5和PALA20样品的CV。e) Al3+加速丙烯酸自由基聚合，参与Ag-Lig氧化还原反应示意图。在PALA水凝胶的制备过程中，Al3+和Ag-Lig共同活化APS，引发丙烯酸的快速聚合。图5a所示的电子自旋共振（ESR）图证实了PAL和PALA水凝胶中羟基自由基的存在和含量。图5b 可以观测到Al3+能够部分还原为Al2+，并通过加速APS激活效率，促进丙烯酸自由基的快速聚合，同时，Al3+的存在加速了Ag-Lig中儿茶酚/醌的动态氧化还原反应，这通过CV测试中增加的氧化还原峰强度和曲线下面积得到证实。图6 a)集成应用程序原理图。b)在全层小鼠皮肤模型中进行伤口愈合的实验方案和第0、3、5、8、12和15天的伤口照片。c)第0、3、8和15天的伤口闭合的痕迹。d)伤口闭合的百分比。e)100%拉伸时的相对阻力变化。f)灵敏度系数在50、100、150和200%拉伸时发生变化。g)在50、100、150和200%拉伸时的相对阻力变化。h)在愈合过程中不同时间获得的完整皮肤、伤口组织、覆盖的PALA水凝胶创面和伤口组织在PALA+ES下的阻力值。i)从正常愈合的创面、PALA水凝胶覆盖的创面和PALA+ES创面中获得的伤口恢复指数（RIr）。图6a-d可知，PALA水凝胶能够显著加速小鼠伤口的愈合过程，与对照组相比，使用PALA水凝胶的小鼠伤口愈合率更高，且在电刺激(ES)的辅助下，伤口愈合率进一步提升。此外，由于PALA水凝胶出色的柔性传感性能，作者将其用于检测人体各种生理活动包括关节、肘部、手指等的传感性能。此外基于PALA水凝胶优异的抑菌性能、导电性能和传感性能设计了抗菌-电疗-监测一体化水凝胶器件，通过监测电阻的变化来实时跟踪伤口愈合过程，显示出良好的动态稳定性和高灵敏度。本工作提出了一种来增强多酚基水凝胶的抗菌、导电性和力学性能的双金属离子策略。制备了具有良好的抗菌、导电、生物组织粘附、自愈合、快速止血和机械稳定性的多功能PAA基水凝胶。由于丙烯酸链、Ag-Lig纳米粒子和Al3+之间的氢键和金属-配体键的协同效应，这些相互作用在拉伸过程中充当“牺牲键”以耗散能量，使得水凝胶具有优异的机械稳定性。由于Ag-Lig的卓越生物组织粘附性，PALA水凝胶展现出对多种亲水性和疏水性材料（如猪皮和人皮）的长期稳定性和湿粘附性，且在人皮上无残留。Al3+/Al2+的存在加速了Ag-Lig中儿茶酚/醌的动态氧化，导致系统持续释放具有杀菌特性的酚羟基，增强了PALA水凝胶的杀菌特性。体内小鼠实验也证实了水凝胶加速伤口愈合过程。由于PALA水凝胶的强电导率，电刺激（ES）在伤口中均匀分布，这种微电流刺激伤口中深层或表层皮肤细胞的迁移，加速伤口愈合。此外，基于水凝胶的敏感和稳定的传感特性，构建了一个可以通过观察电阻变化来监测伤口愈合过程的水凝胶设备。这一工作为设计实用的新型抗菌敷料提供了理论基础。构建的整合抗菌-电疗-监测伤口治疗和监测设备，促进了软生物电子材料在智能医疗中的进展。欢迎关注我们，订阅更多最新消息![]()
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