2019.06.10 周一

Small：利用纳米粘土掺杂技术制备良好功能性水凝胶

编译|任中阳

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文献内容

1.研究背景

将电极植入生物体内实现生物学与电子学的融合成为现代新型治疗由损伤或疾病引起退化的神经性疾病的一个重要手段，譬如将电极作为治疗神经假体系统的一部分。然而，将这种电极长期植入大脑、脊髓或周围神经当中，而不影响其功能仍是一个极大的挑战。电极与组织的相互作用会引起胶质瘢痕形成、血脑屏障破坏和电极降解等一些不良现象。使人们从金属、硅等传统材料转向可模拟宿主组织机械性能和生化性能的导体材料。已有能模拟在围绕中枢神经系统周围的结缔组织粘弹性的生物电极。但是真正的仿生生物电极材料需要更加的柔韧性以及与神经组织相近的粘弹性。一些合成的水凝胶具有与组织相似的持水性、机械柔韧性和独特的细胞相容性。然而，这些水凝胶本身并不导电，需要加入一些导电的聚合物来实现。如何制备具有良好导电性、延伸性和细胞粘连性的水凝胶值得关注。

2.研究方法及结果

本文提出了一个制备导电水凝胶的新途径。该方法依靠在胶体体系中弹性聚合物和导电聚合物的分离和顺序聚合来设计多重网络结构水凝胶，具体制备过程如图1所示。本研究所用的聚合支架为蒙脱石纳米黏土锂皂石胶体分散体系。锂皂石（Laponite）具有良好的持水性，能够在超过90%含水量的情况下无外部支持仍能保持其形状。但其机械强度和导电性不足以满足生物电子设备的需求。故将丙烯酰胺单体、丙烯酰胺交联剂和光引发剂加入到锂皂石水凝胶里，利用紫外光引发交联形成Laponite-聚丙烯酰胺（PAAM）水凝胶。该交联聚丙烯酰胺的水凝胶具有生物相容性、无毒、不降解的特点。因乙烯二氧噻吩（EDOT）在水中溶解度低，无法直接与Laponite-PAAM水凝胶支架聚合。为克服此问题，作者采用界面聚合法，将Laponite-PAAM水凝胶浸没在含有EDOT单体的矿物油中。经过数小时后形成PEDOT:Laponite-PAAM水凝胶。其电导率为26 S m-1，弹性模量可达15 kPa，且可承受至少800%的伸展应变。

图1

图 1 多重网络结构水凝胶设计（非共价交联锂皂石形成功能性材料的聚合支架，聚丙烯酰胺增加材料的弹性，聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）与锂皂石掺杂增加其导电性。）

同时，作者尝试利用3D打印技术将导电水凝胶整合到设备当中。基于含有Laponite的凝胶体系具有显著的剪切稀释特性，先打印出Laponite-PAAM结构作为PEDOT聚合的支架，PEDOT再在打印出的支架上进行聚合。此外，作者将PEDOT:Laponite-PAAM水凝胶支架功能化，利用筛选出的粘性肽和多糖（screenMATRIX, denovoMATRIX GmbH, Germany）作为培养诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）的基质，通过硅烷化将肽固定在支架上，并通过非共价交联将葡聚糖硫脂连接到赖氨酸残基上。最终可使iPSCs在功能化水凝胶上正常的增殖并保持干细胞特性。

延伸阅读

本文从一个全新的角度对功能性水凝胶进行了研究。制备出高导电性、延伸性和细胞粘连性的水凝胶。从任何一个功能特性方面针对食品水凝胶的开发利用都是一个启发。同时，制备功能性水凝胶时可考虑利用新技术如3D打印技术制备一些特殊形状功能需求的水凝胶。