编辑推荐：本文采提出采用铁蛋白纳米笼增强聚丙烯酰胺水凝胶的可拉伸性和断裂韧性，提高与人体皮肤特性的匹配性，成功制备具有高灵敏度和高稳定性的可穿戴应变传感杂化水凝胶（PAAm-Fer），在医疗保健等领域具有重要的研究潜力。

由于能够适应机械变形并具有导电性，水凝胶已在人体运动信号监测的可穿戴柔性应变传感领域得到广泛研究。但传统的水凝胶具有高弹性模量和低拉伸性，不利于与人体皮肤结合。其次，水凝胶的细胞毒性，低敏感性和电导率同样限制了它们的适用性。目前，如何协同提高可穿戴柔性应变传感器水凝胶的拉伸性、灵敏度和生物相容性仍然是一个挑战。

铁蛋白（Fer）是一种天然的铁储存蛋白：24 个蛋白质亚基组装成一个 12 nm 的纳米笼，里面装满了大小为 7-8 nm 的铁心，在制备具有增强的生物相容性和机械性能的水凝胶方面具有潜力，这对可穿戴柔性应变传感水凝胶的研究与制备具有重要意义。

近日，武汉理工大学解晶晶和傅正义课题组合作设计了一种可用于可穿戴柔性应变传感器的新型生物复合水凝胶(聚丙烯酰胺-铁蛋白(PAAm-Fer))。相关论文以题为“Nanocage Ferritin Reinforced Polyacrylamide Hydrogel for Wearable Flexible Strain Sensors”发表在ACS Applied Materials & Interfaces。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c00317

研究中发现铁蛋白(Fer)在水凝胶中仍保持纳米笼状蛋白壳，受到外来载荷时，蛋白质壳可以作为PAAm链和铁核之间的弹簧，铁蛋白的官能团（-COOH，-OH）可以通过氢键与 PAAm 链（-NH 2）相互作用，有利于应力传递并提高水凝胶的韧性。

因此，通过加入铁蛋白制备的杂化多孔水凝胶具有高拉伸性、增强的断裂应力和断裂韧性（图2）：添加铁蛋白至 1、2 和 3 mg/mL浓度后，PAAm水凝胶的断裂应变从800%分别增加到 1300%、1400% 和 1200%，断裂应力和断裂韧性也都有明显提高。

此外，由于PAAm-Fer杂化水凝胶中的交联网络减少，使得水凝胶在相同的 PAAm 固含量下更容易吸收水。将铁蛋白增加到 3 mg/mL后，水凝胶的弹性模量从27.1 kPa降至 21 kPa，与人体皮肤模量更相匹配（<25 kPa）。

图1. 水凝胶的示意图和微观结构：(A)PAAm- Fer3水凝胶示意图；(B)铁蛋白增强水凝胶示意图以及(C)冻干凝胶的 SEM 图像以及C、N 和Fe的EDX 元素映射

图2. 不同Fer浓度（0、1、2、3 mg/ml）的机械测试

图3. 水凝胶的机械和流变性能测试

图4. 水凝胶的体外细胞毒性试验

图5. 水凝胶的机电响应性能测试

总的来说，这项研究报告了一种有优异综合性能的 PAAm-Fer杂化水凝胶。它具有与人体皮肤特性相匹配的高拉伸性和低模量特点，同时铁蛋白可以增强杂化水凝胶的导电性，使其在可穿戴传感方面表现出高灵敏度和出色的循环稳定性，具有重要的应用价值。（文：crazy材料）

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