现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 34-38. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.006

技术进展

离子导电水凝胶的制备及在生物医疗中的研究

王世运 ¹ ,
宋信莉 ¹^,²^,³^,^* ,
蔡艳丽 ¹ ,
王群 ¹ ,
吴静澜 ¹^,²^,³ ,
高远 ¹^,²^,³

作者信息 +

Preparation of ion-conductive hydrogel and study on its application in biomedicine

Shi-yun WANG ¹ ,
Xin-li SONG ¹^,²^,³^,^* ,
Yan-li CAI ¹ ,
Qun WANG ¹ ,
Jing-lan WU ¹^,²^,³ ,
Yuan GAO ¹^,²^,³

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摘要

介绍了不同类型离子导电水凝胶的制备方法及性能特点,并梳理了其在生物传感器、药物释放、伤口修复等生物医学领域的应用进展。最后,讨论了现有离子导电水凝胶存在的问题与挑战,对未来离子导电水凝胶的发展进行了展望。

Abstract

The preparation methods and performance characteristics of different types of ion-conductive hydrogel are introduced,and its application progress in biomedical fields such as biosensors,drug release,and wound repair is sorted out.Finally,the problems and challenges of existing ion-conductive hydrogel are expounded,and the development of ion-conductive hydrogel in the future is envisioned.

Graphical abstract

关键词

离子导电 / 制备 / 水凝胶

Key words

ion-conductive / preparation / hydrogel

Author summay

王世运(2001-),女,硕士生

引用本文

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王世运,宋信莉,蔡艳丽,王群,吴静澜,高远. 离子导电水凝胶的制备及在生物医疗中的研究[J]. , 2025, 45(S2): 34-38 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.006

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水凝胶是一种由亲水性聚合物通过化学或物理交联所组成的三维网络材料,聚合物链段间的亲水性基团能够吸收和保留大量水分,使其具有良好的溶胀性、拉伸性、可调节性、生物相容性等^[1]。离子导电水凝胶主要由水凝胶和离子类导电介质构成,通过向水凝胶基体内部引入无机盐离子、聚电解质、离子液体等,从而赋予水凝胶材料导电性。这类独特的水凝胶材料既有形成水凝胶基体的机械柔性、吸收保水性,又具有离子导电性、自愈性、生物相容性、刺激响应等特点^[2]。近年来在生物传感器、组织工程、药物释放、伤口敷料、生物电子学等生物医学领域中展现出了巨大的发展潜力^[3]。本文中对离子导电水凝胶的制备进行简要归纳,探讨其在生物医疗中的应用,最后对其发展前景进行展望。

1 离子导电水凝胶的制备

离子导电水凝胶(ICHs)通常由水凝胶网络和导电介质构成,水凝胶中丰富的三维多孔结构为水分子的自由穿梭提供了骨架,同时水中离子的高频运输又保证了信号的传递及导电性能的实现。这类充当传导作用的离子一般为金属离子、离子液体或者是聚合物框架中的离子结构^[4]。因此,根据引入到水凝胶中导电介质的不同,ICHs的制备基本分为3种策略:引入无机盐离子;引入聚电解质;引入离子液体。

1.1 无机盐离子的引入策略

利用水凝胶网络内部无机盐离子溶解时的定向迁移提供导电性能,是研究最为广泛的一个分支。常用于构建凝胶骨架的聚合物基体包括聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)等,使用最多的无机盐包括Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Fe³⁺等^[5]。主要分为2种策略引入到水凝胶中:一种是将成型的水凝胶或预凝胶浸泡在无机盐离子溶液中,利用浓度差将离子渗透引入水凝胶网络,简称浸泡法。

Zhou等^[6]用海藻酸钠(SA)增强聚乙烯醇(PVA)网络,通过反复冻融获得聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)预水凝胶,再将其分别浸泡引入具有不同氧化态的金属盐Li₂SO₄、ZnSO₄和Fe₂(SO₄)₃溶液中平衡48 h,利用金属配位和特定阴离子诱导的霍夫迈斯特效应,调节聚合物网络的聚集状态,得到了坚固的离子导电水凝胶,实现了对水凝胶机械及导电性能方面的优化。

另一种是将各原料与无机盐离子均匀混合,共同加入反应体系,从而快速得到无机盐离子导电水凝胶,简称一锅法^[7]。

Zhao等^[8]以聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)和单宁酸(TA)为基础,以硼砂为交联剂,通过简单的一锅法制备了由硼酸酯键和氢键构建的多功能导电复合水凝胶网络。表现出pH和糖反应性、高拉伸性、快速自愈性(最高愈合效率HE=93.56%)、稳定的电阻变化和可观的导电行为,成功为用于人体运动监测的多响应性柔性可穿戴设备的进一步开发提供了思路。

一锅法还常利用外部刺激(如UV光或高温)促使单体与交联剂发生自由基聚合,从而制备离子导电水凝胶。Yang等^[9]通过简单的一锅法,采用生物启发的物理交联网络琼脂、适当紫外线强度下光引发交联网络的聚丙烯酰胺(PAM)以及导电离子Li⁺,快速制备了一种坚固的Li⁺/agar/PAM离子双网络水凝胶,这种独特的离子水凝胶具有显著的伸展性、高拉伸/压缩强度(0.22 MPa/3.5 MPa)和韧性(2.2 MJ/m³)。可作为软导体应用于离子皮肤、发光显示器等柔性器件中。

1.2 聚电解质的引入策略

聚电解质(PEs)是一类含有大量组成单元的大分子,其含有的离子基团可以解离水等非极性溶剂,通过化学或物理交联可以产生聚电解质水凝胶,在水中溶胀并保持高含水量^[10]。PEs既可以是聚阴离子、聚阳离子,也可以是聚两性离子。聚阴离子具有酸性基团,如羧基、硫酸盐或磷酸盐,聚阳离子具有碱性基团,如胺和膦。聚两性聚电解质是一类同时含有碱性和酸性基团的特殊聚电解质。

Sungoradee等^[11]通过聚阴离子和聚阳离子之间的物理静电交联制备了聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)/聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDADMAC)络合水凝胶。研究了PEC水凝胶的尺寸稳定性和黏弹性行为,实验显示PSS/PDADMAC水凝胶表现出高吸水性和对纺织阴离子染料的优异亲和力。

Wang等^[12]发表了一种两性离子聚电解质水凝胶,并通过向网络中引入额外的离子单体来调节细胞黏附和抗菌特性,共聚的阳离子或阴离子单体打破了两性离子单元的固有静电化学计量,从而介导了静电相互作用和与表面的黏附强度。这些可拉伸组织胶黏剂抗菌水凝胶有望用于伤口敷料和植入式装置。

聚电解质水凝胶还可以通过使用天然或合成的聚合物来制备^[13],如海藻酸钠、壳聚糖、明胶、聚(4-对苯乙烯磺酸)等,具有多样的单体结构、可调节性、高生物相容性、生物可降解性等优点。Qian等^[14]通过海藻酸盐-甲基丙烯酸酯(Alg-MA)、对苯乙烯磺酸钠(NaSS)以及Ca²⁺的交联共聚,制备了双交联海藻酸盐-聚苯乙烯磺酸盐(Alg-PSS)水凝胶。实现了高尺寸的机械稳定性与适应性。可用于人工阀门或软机器人,这些对智能水凝胶需要高尺寸稳定性和不变体积的应用。

1.3 离子液体的引入策略

离子液体(ILs)是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的一种有机盐,通过对不同的阳离子和阴离子进行调节,可以调控它们的固有特性,如黏度、溶剂化能力、亲水性和疏水性等。以ILs作为导电介质,可有利于形成更均匀稳定的导电网络,广泛应用于伤口修复、骨再生和药物递送系统^[15]。

He等^[16]基于胆碱和氨基酸、丙烯酰胺(AAm)、疏水性单体甲基丙烯酸硬脂酯(C18)的亲水性单体乙烯基离子液体(VIL)和细菌纤维素,疏水缔合制备了一系列具有高机械强度(5.8 MPa)、出色的自修复效率(85%)、良好的导电性(最大1.258 S/m)的聚合物离子液体(PIL)水凝胶。

Wang等^[17]的研究中,在水凝胶系统中引入咪唑盐离子液体和甘油,测试结果表明,所制备的水凝胶在自修复后即使在-50℃的极冷条件下也具有稳定的机械和电性能。成功开发了集导电性、抗菌性、抗冻性、自愈性、黏附性、抗氧化性和生物相容性于一体的多功能水凝胶。

药物分子引入ILs后能不同程度地增强水溶性和降低细胞毒性,有效起到抗炎、抗菌、止血和抗氧化等作用。Bastos等^[18]以不同摩尔比的布洛芬(Ibu)、咪唑基离子液体和胆碱盐为基础,制备了具有制药活性的离子液体Ibu-ILs共晶体。研究发现,Ibu-ILs的水溶解性相较于布洛芬及其盐形式有所提高。通过抑制牛血清蛋白变性和抑制环氧合酶评估抗炎活性,结果显示Ibu-ILs不仅保持了药物原有的抗炎活性,还提高了对环氧合酶COX-2的选择性。溶血活性和体外细胞毒性的检测中评估Ibu-ILs共晶体的生物相容性,也显示出有助于开发更安全的非甾体抗炎药。

2 离子导电水凝胶在生物医疗中的应用

ICHs在结合了水凝胶的优越机械特性之外又表现出良好的导电性,在各种新兴设备和应用中发挥着重要作用,如柔性可穿戴设备、生物电传感器、药物释放、创口修复等研究领域。

2.1 可穿戴传感器

由ICHs制备的柔性可穿戴设备凭借多信号采集、信息实时传输、机械柔性、生物相容性、高灵敏度等优势,在运动健康监测领域取得了显著的应用与推广。可以制成薄膜或贴片形式直接贴合在皮肤表面,实现对人体关节运动(跑步、吞水等)和生理信号(心率、血压等)的持续实时监测。与传统金属电极相比,离子导电水凝胶电极能够更好地适应皮肤表面,减少运动伪影,提高信号质量。此外,它们还可以集成温度、湿度等传感器,实现多参数监测。

Bu等^[19]从鸭毛纤维中提取羽毛角蛋白(FK),采用一锅冻融法构建了由FK、PVA和CaCl₂组成的复合离子导电水凝胶,该项工作显著增强了水凝胶的机械性能,包括639.3%的高断裂伸长率、270 kPa的高断裂强度和抗疲劳性。基于该水凝胶的可穿戴应变传感器也表现出高应变传感灵敏度(GF=1.26)、宽应变检测范围(5%~200%)、快速响应性,使其能够准确监测和区分大大小小的人体运动产生的电信号差异。

Li等^[20]设计了一种基于生物相容性聚丙烯酰胺(PAAM)、明胶和海藻酸钠(SA)的体温触发黏合剂离子导电水凝胶。克服了黏附性水凝胶可能会引起剥落时皮肤发红和疼痛不适等问题,实现了无痛剥离皮肤。同时,该水凝胶还表现出与皮肤组织相似的杨氏模量(~265 kPa),具有约25 dB的不错信噪比,可以高保真地记录各种生物电信号并准确识别运动(图1)。

Lei等^[21]通过将化学交联的AAm和VBIMBr聚物网络引入PVA和CMC的基材中,构建了具有高强度和良好导电、透明、防冻和抗菌性能的多功能聚乙烯醇(PVA)/羧甲基纤维素(CMC)/聚(丙烯酰胺-co-1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物)离子导电水凝胶(PCPAV)。PCPAV水凝胶展现出优异的透明度(~92%)、高离子电导率(15.2 mS/cm)、抗菌活性以及在零下温度下良好的柔韧性和电导率、宽应变范围(0~800%)、高应变敏感性(GF=3.75)和出色的耐用性,在检测大关节运动和微小的肌肉运动中具有潜在的应用。

2.2 药物递送

由于水凝胶高含水量和良好生物相容性的结构特点,可以利用其多孔结构负载药物用于实现药物的可控释放。通过改变电流的强度和持续时间,可以将药物深深地递送到皮肤中,比目前的药物递送方法有效几十到几百倍。

Kim等^[22]使用电子束辐照将PAA的羧基、硅氧烷基团与有机硅结合,形成交联结构制得PAA-硅水凝胶,利用聚丙烯酸(PAA)的优异离子导电性和无毒且易于化学修饰的特性来控制药物的运输,当电压增加到3、5、7 V时,药物释放量分别为53%、88%、96%,实现了药物递送速率的可调节性。同时,荧光染色和CCK-8观察细胞相容性的研究结果也显示出良好的细胞活力。

Santhamoorthy等^[23]开发了可以负载姜黄素的磁性聚电解质复合水凝胶(MPEC HG)系统,不仅在对人肝癌(HepG2)细胞系的体外细胞毒性行为研究中显示出良好的生物相容性,还可用于癌症治疗中的pH和温度的双重刺激响应给药。在pH(pH=5.0)和温度(42℃)的联合刺激条件下,表现出极高的药物负载效率(~68%)和更强的药物释放能力。

Wang等^[24]将药物布地奈德包载于聚丙烯酰胺-聚(乙二醇)二丙烯酸酯-氯化锂(PAM-PEGDA-LiCl)离子水凝胶中,制成摩擦式电微针贴片用于银屑病治疗。当皮肤摩擦时,离子型水凝胶产生电荷,通过自供电电刺激促进可控和有效的药物释放(图2)。

2.3 伤口修复

ICHs可以模拟人体皮肤的弹性和导电性,内部的离子通道可以使水凝胶和表皮组织之间进行电荷交换,刺激细胞增殖和迁移,从而潜在地促进组织修复和伤口愈合^[25]。ICHs高含水量、柔韧性、生物相容性和离子导电性的特性,使其成为理想的伤口敷料材料。

Chen等^[26]以壳聚糖(CS)链、单宁酸(TA)、聚丙烯酸(PAA)和金属阳离子的组成,通过金属离子配位和氢键制备了一种集传感、低溶胀和抗菌于一体的高离子导电和生物相容性水凝胶,壳聚糖基双网络(DN)水凝胶,L929小鼠伤口感染模型结果表明所制备的水凝胶组具有抗菌活性,从而减少炎症加速伤口愈合。

Zhang等^[27]开发了一种具有内在ROS清除性能和电活性的柔性导电水凝胶敷料。用苯硼酸(PBA)对甲基丙烯酸右旋糖酐进行改性,制备了ROS清除材料(DMP)。然后通过苯硼酯键诱导的动态交联网络构建水凝胶,光交联DMP和胆碱基离子液体作为第二个网络,结晶聚乙烯醇作为第三个网络。体内结果表明,水凝胶联合电刺激在慢性糖尿病伤口治疗中能缓解炎症,表现出良好的促进再上皮化、血管生成和胶原蛋白沉积的性能。适用于伤口的联合治疗和监测。

Hu等^[28]通过强效静电相互作用将聚(甲基丙烯酸磺基甜菜碱-甲基丙烯酰胺共多巴胺)修饰的银纳米颗粒(PSBDA@AgNPs)与两性离子甲基丙烯酸磺基甜菜碱酯(SBMA)相结合,制备了一种可喷涂的两性离子抗菌水凝胶。所得水凝胶不仅具有出色的柔韧性和理想的黏附力,还具有pH响应行为,当感染伤口部位的酸性微环境,可以促使水凝胶快速释放纳米银颗粒杀死细菌,显著提高大鼠颈部皮肤伤口闭合率。具有促进关节皮肤伤口愈合的巨大潜力(图3)。

3 结语

离子导电水凝胶作为一种新型功能材料,因具有良好的导电性、可调性、自愈性、生物相容性等,在生物医疗领域展现出巨大的应用潜力。本文中系统归纳了近年来离子导电水凝胶的制备方法及在生物医疗领域,如生物传感器、药物递送和伤口修复的应用。取得了一定研究成果的同时,还面临着一些挑战:①提高导电性和机械性能的同时兼具保持水凝胶良好的生物相容性;②在长期应用的环境中,精确控制水凝胶材料的降解行为和稳定性;③水凝胶的可持续利用与绿色发展;④水凝胶材料的轻量化及灵敏度提升。在未来,随着材料科学、生物医学和卫生健康的不断进步,跨学科合作和持续创新,有望挖掘离子导电水凝胶的更多可能,为精准医疗提供更安全、有效的材料创新。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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