浙江大学AM：天然保湿因子新用途，助力高性能水凝胶设计！|保湿因子|导电性|明胶|水凝胶|浙江大学

水凝胶作为一类含有高水分的交联聚合物，因其与生物组织的相似性，被视为构建人机交互界面的理想材料。其中，由多糖和蛋白质等天然物质制备而成的天然水凝胶因其优良的生物相容性和生物可降解性而备受关注。明胶是一种常见的动物源性蛋白质，主要由动物的皮肤、骨骼或软骨等部位提取而来。明胶具有受温度控制的可逆相转变特性，可以在不同的生物组织表面实现原位固化，从而显著提高其与生物组织表面的粘附力，在构建与生物组织高度贴合的界面时具有巨大优势。然而，传统的明胶水凝胶通常存在机械性能较差、导电性差以及易失水等问题，限制了其应用。因此，制备具有高机械强度、保水能力和导电性的明胶水凝胶仍然是一大挑战。

为了解决这一问题，受皮肤中天然保湿因子的启发，浙江大学智能生物产业装备创新团队（IBE）应义斌教授联合浙江大学宋吉舟教授、李光教授提出了一种简单有效的一步制备高性能明胶水凝胶的方法。通过将明胶和吡咯烷酮羧酸钠（一种天然保湿因子）巧妙结合，可以大幅增强明胶水凝胶的机械强度、导电性和保水能力。此外，明胶水凝胶具有受温度控制的可逆相转变特性，使其能够在各种不同的基底上原位固化，建立高效贴合的生物界面，从而实现对植物、人体电生理信号的高保真检测。该研究以题为“Skin-inspired all-natural biogel for bioadhesive interface”的论文发表在《 Advanced Materials》上。论文的第一作者为浙江大学蓝玲怡研究员。

【图文导读】

天然保湿因子（Natural Moisturizing Factor，NMF）是皮肤表层的重要组成部分，包括氨基酸、天然糖类、小分子多羟基化合物和盐类等成分，它们起着维持皮肤水分平衡的重要作用。NMF能够吸引并锁住水分，帮助皮肤保持水润和柔软，同时也对皮肤的屏障功能具有支持作用，有助于保护皮肤免受外部环境的损伤和刺激。受此启发，本研究选用皮肤中的一种重要NMF成分—吡咯烷酮羧酸钠（PCA-Na）来调节明胶水凝胶的性质，凝胶的制备过程示意图如图1a所示。明胶和PCA-Na的结合显著提高了明胶-吡咯烷酮羧酸钠（GP）凝胶的机械强度、导电性和保水性能。此外，GP凝胶的温度相转变特性赋予了其原位固化特性，可以实现与人体皮肤、多毛植物表面的有效贴合（图1b，c）。

图1 GP凝胶的制备过程示意图及其与不同基底表面的高度贴合性

为了探究PCA-Na对明胶水凝胶性能的影响，制备了一系列含有不同PCA-Na质量分数的GP水凝胶材料，并对这些水凝胶进行了一系列的表征（图2）。结果表明，PCA-Na能够有效增强GP水凝胶的力学性能、导电性能和保水性能，为其长期稳定应用奠定了基础。

图2 GP凝胶性能表征

为了进一步探究PCA-Na增强GP凝胶性能的原理，通过不同的表征手段对GP凝胶内部网络的相互作用进行了表征（图3）。傅立叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼表征结果表明，添加PCA-Na后，GP凝胶内部出现了明显的特征峰偏移，表明明胶分子与PCA-Na之间存在相互作用。具体而言，明胶的氨基发生质子化后与PCA-Na的羧基发生静电相互吸引，促进了离子交联的形成。静电相互作用有助于形成更紧密的网络结构，提高了GP凝胶的机械性能。此外，PCA-Na的亲水基团还可以与水分子形成氢键，进一步提升了GP凝胶的保水性能。

图3 GP凝胶内部相互作用表征

由于GP凝胶具有温度相转变特性，使其可以与植物组织紧密且牢固地粘附，从而提高了其用于植物生理信号检测的性能（图4）。结果显示，基于GP凝胶的电极在植物生理信号检测中具有更高的信噪比和稳定性，相比商业琼脂糖凝胶电极，能够捕捉到更清晰、更稳定的信号。

图4 GP凝胶的生物相容性及生物可降解性及其用于植物电生理信号检测

除了在植物电生理信号测量的应用之外， GP凝胶在人体电生理信号测量中也具有巨大潜力（图5），实验中对人体的肌电图（EMG）、心电图（ECG）和脑电图（EEG）信号进行了记录。与基于预制水凝胶的普通粘性水凝胶电极相比，具有原位固化特性的GP凝胶电极与皮肤表面的界面阻抗更低，同时具有更好的稳定性和抵抗表皮变形的能力，有望在人体高保真度的电生理信号测量中发挥重要作用。