CN115806740B

CN115806740B - 一种集成多模态响应的导电水凝胶及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN115806740B
Application number: CN202211440091.1A
Authority: CN
Inventors: 孙静; 吴肖阳; 范红松; 肖佳美; 吴凯; 卫丹
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2042-11-17
Also published as: CN115806740A

Abstract

本发明提供了一种集成多模态响应的导电水凝胶及其制备方法和用途，属于生物电子材料技术领域。本发明水凝胶是由如下重量配比的原料制备而成：酪胺掺杂的PEDOT：PSS 0.1～0.5份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶10～16份。本发明水凝胶生物相容性好，导电率高，同时具有突出的柔性、自愈合、粘附性以及尿素响应性。使水凝胶材料表现出快速响应、生物集成和多模态传感性能。本发明水凝胶既可以作为一种可穿戴传感器，提供物理、化学和电生理参数等人体健康状况的全面视图；又可以作为一个双向的神经接口，用于放大的ECoG信号记录和治疗性电刺激。本发明为全面的医疗监测和人机交互研究提供更多机会。

Description

一种集成多模态响应的导电水凝胶及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于生物电子材料技术领域，具体涉及一种集成多模态响应的导电水凝胶及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，可穿戴和可植入式软生物电子学的发展为个性化健康监测和精确诊断和治疗开辟了广泛的应用。与刚性和脆性的传统金属基材料相比，导电水凝胶提供独特的灵活性和优异的生物相容性，并集成许多先进的特性，如高拉伸性、自愈合、组织粘附和优秀的机械-电子转换的性能，因此引起了大量对可穿戴和植入式生物传感器的关注。然而，一般的导电水凝胶在人体生理参数监测、疾病诊断和治疗的多模式监测中往往失效。

对于适用于长期生物集成的可穿戴式和可植入式传感器，其优异的灵活性和可拉伸性、可调节的界面粘附性、高导电性和生物相容性是产生高记录灵敏度和低信号耗散所必需的。然而，目前大多数基于水凝胶的传感器仅具有应力-应变响应性，但不能识别多种刺激。许多进展一直集中在测量物理或电生理参数(如呼吸速率、心率和皮肤温度)，很少关注监测生化代谢物(如葡萄糖、乳酸和尿酸)相关的健康状况，这大大限制了诊断的机会。因此，开发能够同时追踪物理、化学和电生理特性的多模态可穿戴传感器，对其进行更全面的人体健康监测具有重要意义。此外，智能水凝胶传感器致力于创造一个理想的电子-组织界面，有效地将电化学和电生物信号传递到电信号敏感的细胞和组织，从而产生一系列的治疗效果，包括细胞分化和组织再生。综上所述，开发具有生物集成、多模态响应性和治疗功能等多功能集成的可穿戴式和可植入式水凝胶传感器的趋势越来越大。但是这种多功能传感器通常是通过将来自不同材料的独立传感器集成到一个电子设备中来制造的，缺乏集成多模态响应的单一材料平台。

目前，构建导电水凝胶的一种广泛使用的策略是在水凝胶网络中对导电聚合物进行物理共混或氧化化学聚合，包括聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、或聚(3,4-乙基二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。聚合物基体提供稳定的三维支撑，导电填料给予基质导电性，但是导电填料和水凝胶网络之间的弱相互作用削弱了材料的电导率。此外，由于缺乏自愈合、组织粘附、生物相容性等生物整合，以及多刺激响应性，进一步限制了水凝胶-组织界面上稳定高效的信号转导和多模态感知。

明胶基水凝胶由于其可调的力学性能、高生物相容性和良好的功能改性或广泛的键合能力，是开发柔性可穿戴传感器的很有前途的材料。另一方面，PEDOT:PSS作为一种很有前途的导电填料候选材料，具有良好的导电性、水分散性和加工能力，展现出构建高导电渗流网络的高潜力。因此，利用明胶和PEDOT:PSS作为水凝胶基质和导电填料是构建生物相容性导电水凝胶的一种选择，可以实现有利于生物电子应用的柔韧性、导电性和生物相容性。然而，明胶与PEDOT:PSS之间的简单氢键和静电相互作用形成的物理水凝胶的适用性值得怀疑，主要原因是其力学性能差，自愈合和组织粘附性弱，以及缺乏刺激响应。论文《基于四重氢键(UPy)作用的热响应水凝胶的制备及应用研究》(广西大学，硕士学位论文，徐元德，2018年)中公开了随着四重氢键含量的增加，明胶链愈合效果、机械性能提高。但是，该论文并不涉及PEDOT:PSS与明胶形成的水凝胶，同时制备的水凝胶并不具备多模态响应功能。

如何建立一种具有多模态响应的水凝胶，可以集成物理、化学和电生理传感功能，具有良好的生物整合和治疗功能，需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成多模态响应的导电水凝胶及其制备方法和用途。

本发明提供了一种集成多模态响应的导电水凝胶，它是由如下重量配比的原料制备而成：酪胺掺杂的PEDOT：PSS 0.1～0.5份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶10～16份。

进一步地，前述的导电水凝胶是由如下重量配比的原料制备而成：酪胺掺杂的PEDOT：PSS 0.3份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶15份。

进一步地，所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS由如下重量配比的原料制备而成：聚(4-苯乙烯磺酸钠)1～10份、3,4-乙烯二氧噻吩1～5份、酪胺盐酸盐0.1～0.5份。

进一步地，所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS由如下重量配比的原料制备而成：聚(4-苯乙烯磺酸钠)6份、3,4-乙烯二氧噻吩1份、酪胺盐酸盐0.2份。

进一步地，所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS制备方法包括如下步骤：

(1)称取各重量配比的原料；

(2)将聚(4-苯乙烯磺酸钠)和3,4-乙烯二氧噻吩溶于溶剂中，调整pH值为1～4，并搅拌；

(3)搅拌下加入氧化剂反应，得PEDOT：PSS；

(4)在步骤(3)得到的PEDOT：PSS中加入酪胺盐酸盐，反应，得到酪胺掺杂的PEDOT：PSS，纯化即可。

进一步地，

步骤(2)中，所述溶剂为水；

和/或，步骤(2)中，所述pH值为2；

和/或，步骤(2)中，所述搅拌速度为200～500rpm，搅拌时间为30～60min；

和/或，步骤(3)中，所述搅拌速度为800～1000rpm；

和/或，步骤(3)中，所述氧化剂与3,4-乙烯二氧噻吩的质量比为(1～4)：1；

和/或，步骤(3)中，所述反应为在20～30℃下反应24～48h；

和/或，步骤(4)中，所述反应为在20～30℃下反应12～24h；

和/或，步骤(4)中，所述纯化方式为透析；

优选地，步骤(3)中，所述氧化剂为过硫酸胺或过硫酸钾。

进一步地，所述脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶的制备方法包括如下步骤：

1)将2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶和六亚甲基二异氰酸酯反应，得到Upy-HDI；

2)溶剂中，将明胶和步骤1)得到的Upy-HDI进行反应，得到脲基嘧啶酮改性的明胶；

3)溶剂中，将步骤2)得到的脲基嘧啶酮改性的明胶和酪胺盐酸盐，在EDC和NHS存在下反应，得到脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶，纯化，即可。

进一步地，

步骤1)中，所述2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶和六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为1:(7～12)；

和/或，步骤1)中，所述反应的温度为100～120℃，反应时间为12～24h；

和/或，步骤1)中，所述反应后纯化，纯化方式为将反应液沉淀，然后洗涤、干燥；

和/或，步骤2)中，所述明胶和Upy-HDI的质量比为1：(0.01～0.1)；

和/或，步骤2)中，所述溶剂为DMSO；

和/或，步骤2)中，所述反应的温度为20～30℃，反应时间为24～48h；

和/或，步骤2)中，所述反应后纯化，纯化方式为将反应液沉淀，然后透析、干燥；

和/或，步骤3)中，所述脲基嘧啶酮改性的明胶、酪胺盐酸盐、EDC和NHS的质量比为(1～4)：(1～2)：(0.1～1)：(0.1～1)；

和/或，步骤3)中，所述溶剂为MES水溶液，pH值为4～6；

和/或，步骤3)中，所述反应的温度为20～30℃，反应时间为12～24h；

和/或，步骤3)中，所述反应后纯化，纯化方式为透析，然后干燥。

本发明还提供了前述的导电水凝胶的制备方法，它包括如下步骤：

(a)将酪胺掺杂的PEDOT：PSS在溶剂中分散，得到分散液；

(b)将脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶溶解在溶剂中，得到溶液；

(c)将步骤(a)得到的分散液和步骤(b)得到的溶液混合后，加入过氧化氢和辣根过氧化物酶，形成凝胶，即得；

优选地，

步骤(a)中，所述分散液的浓度为2～4wt％；

和/或，步骤(b)中，所述溶液的浓度为10～15wt％；

和/或，步骤(c)中，所述过氧化氢的浓度为0.1～1wt％；

和/或，步骤(c)中，所述辣根过氧化物酶的浓度为20～30U/mL；

更优选地，

步骤(a)和步骤(b)中，所述溶剂为水；

和/或，步骤(a)中，所述分散液的浓度为4wt％；

和/或，步骤(b)中，所述溶液的浓度为15wt％。

本发明还提供了前述的导电水凝胶在制备可穿戴生物感器中的用途；和/或，在制备植入式神经接口中的用途。

本发明提出了一种将化学交联和刺激响应性物理相互作用相结合来构建多功能导电水凝胶的策略。为了在水凝胶中引入多重相互作用，制备了UPy/Tyr双功能化明胶(GUT)和Tyr掺杂PEDOT:PSS(PEDOT:PSS-Tyr)，通过辣根过氧化物酶(HRP)在温和条件下交联，得到生物相容性导电水凝胶。在该系统中，首先通过基于Tyr的酶化学交联构建稳定的水凝胶骨架，并在水凝胶骨架与导电聚合物之间建立连续互联的导电网络，有效提高了水凝胶的电子电导率和响应灵敏度。接下来，通过形成基于Upy的动态可逆四重氢键，在凝胶-凝胶、凝胶-导电填料和凝胶与组织之间建立动态物理连接。受益于此，本发明集成多模态响应的水凝胶具有高延展性、可自修复性和组织界面粘附性，为水凝胶传感提供优良的生物整合特性。更重要的是，本发明水凝胶还具有多重刺激响应性，除了监测传统的物理参数外，本发明导电水凝胶还具有通过多模态传感来识别电生理和化学参数的能力。此外，由于其生物相容性和良好的双向电生理信号传递能力，本发明水凝胶可能具有潜在的治疗应用潜力。凭借生物集成、多模态响应性和治疗功能的优异性能，本发明进一步证明了水凝胶在作为可穿戴传感器和可植入神经接口的多用途传感应用方面的能力，即：i)作为一种可穿戴的生物物理传感器，可以记录人体生理健康信号，如运动和心电信号；ii)作为一种可穿戴生化传感器，检测人工汗液中尿素水平，对患者的日常保健和肝肾疾病患者的临床诊断具有重要意义；iii)作为一种植入式神经接口，用于双向通讯和治疗。

总的来说，本发明将化学交联和刺激响应物理相互作用相结合，制备了基于UPy/Tyr双功能化明胶和Tyr掺杂PEDOT：PSS的生物相容性多功能水凝胶。由于双模态网络的形成，制备的生物相容性水凝胶显示出更好的电导性，同时具有突出的柔性、自愈合、粘附性以及尿素响应性。这些增强的指标使水凝胶材料能够表现出快速响应、生物集成和多模态传感性能。作为一种可穿戴传感器，水凝胶平台显示出同时跟踪人体运动、心电图甚至汗液代谢物尿素等物理化学信息的能力，提供了物理、化学和电生理参数等人体健康状况的全面视图。而在植入式应用中，它可以作为一个双向的神经接口，用于放大ECoG信号记录和治疗性电刺激，而没有神经炎症。这项工作的进展将有助于在多模态可穿戴传感器的发展，同时推进可植入式神经探针的设计概念，并为全面的医疗监测和人机交互研究提供更多机会。

本发明中，生物整合性是指：导电水凝胶作为可穿戴传感器时可以将多种性能整合在一起，如同时具有组织粘附性以及与皮肤组织相似的可拉伸性和自愈合性，作为可植入神经界面时具有与组织相似的弹性模量，以及具有生物相容性、抗菌性和多重刺激响应性等。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为DMSO-d6中Upy/Tyr双功能化明胶(GUT)和Tyr掺杂PEDOT:PSS(PEDOT：PSS-Tyr)的¹H-NMR谱；其中，A为GUT(Gel-Upy-Tyr)的¹H-NMR谱；B为PEDOT：PSS-Tyr的¹H-NMR谱。

图2为本发明水凝胶制备示意图和电化学表征结果；其中，A为基于UPy/Tyr双功能化明胶和Tyr掺杂PEDOT:PSS结合化学交联和刺激反应物理相互作用制备GUT-PP水凝胶示意图；B为EIS测量值；C为Nyquist曲线；D为CV曲线；E为导电水凝胶的CIC。

图3为GUT-PP水凝胶的柔性力学性能；其中，A为物理化学交联网络示意图；B为角频率扫描测试结果；C为压缩应力应变曲线；D为拉伸应力应变曲线；E为拉伸和压缩过程；F为粘度测量(插图为通过注射器注射凝胶的数字图像)；G为GUT-PP水凝胶的应变振幅扫描测试结果。

图4为GUT-PP水凝胶的自愈合及黏附性能；其中，A为GUT-PP水凝胶自愈过程中的机理图；B为循环应变试验结果；C自愈合实验观察过程；D为组织黏附示意图；E为粘附强度测试过程；F为粘附强度试验结果；G为GUT-PP水凝胶在幼年大鼠皮肤上的粘附和去除演示。

图5为GUT-PP水凝胶的生物相容性和光热抗菌活性结果；其中，A为在水凝胶表面培养3天的L929细胞的FDA/PI染色结果；B为在水凝胶表面培养3天的L929细胞的F-actin/DAPI染色结果；C为光热照射前后水凝胶的热图；D为对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性观察；E为对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性统计图。

图6为GUT-PP水凝胶作为可穿戴传感器的多模态应用；其中，A为用于生理和运动信号检测的示意图；B为手指运动信号检测结果；C为手腕运动信号检测结果；D为膝关节运动信号检测结果；E为无线ECG示意图；F为无线ECG检测结果。

图7为尿素检测结果；其中，A为不同浓度尿素浸泡后GUT-PP的DPV响应曲线；B为校准曲线；C为纱布上喷红墨水的人工汗液混合照片(上)以及GUT-PP传感器用含不同浓度尿素的人工汗液处理后在90°手指弯曲时的机电信号(下)。

图8为GUT-PP水凝胶作为一种植入式生物传感器用于检测神经信号和电刺激治疗的结果；其中，A为植入GUT-PP电极和参比电极的大鼠照片，及植入位置的指示；B为用GUT-PP水凝胶和作为对照的Ag电极测量不同频率的脑皮层电信号；C为用Ag电极和GUT-PP水凝胶测量的ECoG信号的功率谱统计。

图9为在癫痫模型中，GUT-PP水凝胶神经界面的神经信号检测和电刺激治疗结果；其中，A为癫痫大鼠4-AP注射位置示意图；B为在静息、癫痫发作和电刺激后记录的ECoG信号的时频谱图；C为功率谱密度。

具体实施方式

本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。

材料：来自猪皮肤的明胶(A型,凝胶强度～300g Bloom)、2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶(98％)来自SigmaAldrich(美国)；酪胺盐酸盐(Tyr·HCl,98％)、六亚甲基二异氰酸酯(1,6-hexanediisocyanate,HDI,99％)、无水二甲基亚砜(anhydrous dimethylsulfoxide,DMSO)、正戊烷(n-pentane,95％)、3,4-乙烯二氧噻吩(3,4-Ethylenedioxythiophene monomer,EDOT,99％)、过氧化氢(hydrogen peroxide,H₂O₂,30wt％in H₂O)、N-羟基琥珀酰亚胺(N-hydroxysuccinimide,NHS,98％)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimidehydrochloride,EDC·HCl,98％)、聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS,Mw～70000g·mol-1)、过硫酸胺(Ammonium persulfate,APS,≥98％)和吗啉乙磺酸(morpholino ethane sulfonicacid,MES,99％)购买自阿拉丁(中国)；辣根过氧化物酶(HRP,248U/mg)购自东京化工有限公司。

本发明中，如果没有特殊说明，所述的溶液均为水溶液。

本发明中，如果没有特殊说明，调整pH采用氢氧化钠溶液或者盐酸溶液调整。

本发明中，如果没有特殊说明，所述室温为20～30℃。

实施例1、本发明水凝胶的制备

1、PEDOT:PSS-Tyr的合成

将20mL含有PSS(6g)和EDOT单体(1g)的混合溶液调整pH值为2，在缓慢的搅拌速度(500rpm)下搅拌30min。然后，在高速搅拌(800rpm)下，在混合溶液中缓慢加入2.5g APS。在室温下搅拌(800rpm)48h后，得到PEDOT:PSS。在PEDOT:PSS溶液中加入Tyr·HCl单体(0.2g)，室温下再继续搅拌12h，得到PEDOT:PSS-Tyr。经过透析(透析截留分子量为1000Da，透析溶液为去离子水，透析时间为3d)后，得到PEDOT:PSS-Tyr纯化产物，添加去离子水稀释至40mg/mL。

2、UPy/Tyr双功能化明胶(GUT)的合成

将2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶(6.0g，48mmol，1eq)和HDI(100g，593.5mmol，12.4eq)加入反应瓶中，在氮气气氛保护下机械搅拌均匀混合，加热至100℃，再搅拌16h，直到反应充分。将得到的溶液冷却到室温后，倒入正戊烷(500ml)中进行沉淀。沉淀在减压下过滤，用正戊烷洗涤3次(3×150ml)，然后在40℃真空干燥24小时。最后得到白色粉末Upy-HDI，并在真空中保存后使用。

将UPy-HDI上的异氰酸酯基团与明胶的氨基进行亲核反应，合成明胶-Upy(GU)，具体方法如下：明胶(4g)在60℃下溶解于无水DMSO(90mL)中，然后将明胶溶液冷却至室温，滴加入10mL含UPy-HDI(0.2g)的DMSO溶液，在氮气气氛下通过磁力搅拌反应24h后，进行沉淀、纯化(3500Da去离子水透析3d)，然后冻干，得到GU。

通过碳二酰亚胺介导的明胶羧基和酪胺的氨基缩合，合成明胶-Upy-Tyr(GUT)，具体方法如下：将GU(4g)溶解于50mM MES水溶液(150mL，pH值为4～6)中，并加热至60℃，在GU溶解后，将溶液冷却至25℃，然后加入Tyr盐酸(1.74g)、EDC盐酸(0.6g)和NHS(0.87g)，在25℃下搅拌溶液12h。用氯化钠溶液(100mM)透析2d，用去离子水(DIW)透析1d，样品随后被冻干，得到GUT(Gel-Upy-Try)。明胶-Tyr(Gel-Try，GT)的合成过程与GUT相似，只是采用明胶替代GU。

3、水凝胶制备

首先，将45μL浓度为4wt％的PEDOT:PSS-Tyr(PP)溶液超声30min，使均匀分散，然后混合到535μL浓度为15wt％的GUT溶液中。彻底搅拌后，将10μL过氧化氢(0.5wt％)和10μLHRP(25U/mL)加入GUT/PP混合物中，在很短的时间内凝胶。最后，制备得到GUT-PP水凝胶。

本发明通过研究发现：与其他PP浓度相比，上述PP浓度制备得到的GUT-PP水凝胶导电率最高，因此本发明GUT-PP水凝胶采用上述制备方法。

采用同一工艺，将GUT替换为GT，制备GT-PP水凝胶。

GU-PP水凝胶是GU和PP的物理共混，并在室温下凝胶形成，具体为：555μL浓度为15wt％的GU溶液和45μL浓度为4wt％的PP溶液物理共混，并在室温下凝胶而得。研究表明GU-PP水凝胶不稳定。

以下通过具体试验例证明本发明的有益效果。

试验例1、水凝的结构表征及电化学性能研究

1、实验方法

采用核磁共振波谱仪分析(AV II-600MHz，Bruker)检测实施例1制备得到的Gel-Upy-Try(GUT)、Gel-Try(GT)、PEDOT:PSS-Tyr和PEDOT:PSS，以及原料明胶(Gel)。

采用电化学工作站测试实施例1中制备得到的GUT-PP水凝胶、GT-PP水凝胶、GU-PP水凝胶和UPy/Tyr双功能化明胶(GUT)的电学性能。

CV和EIS采用电化学工作站(Gamry，Reference 600)三电极系统。对电极为铂片电极，参比电极为Ag/AgCl(3M氯化钾)电极。CV以100mV/s的扫描速率记录(相对于Ag/AgCl参比电极，值为-1.0至1.0V)。EIS的频率在0.1～10kHz之间，振幅为5mV。为了测量CIC，将水凝胶附着在铂片(1cm×1cm)上作为工作电极，连续施加10个相同的双相电压脉冲(±0.5V)，同时记录产生的电流。对于导电聚合物(PEDOT:PSS,PEDOT:PSS-Tyr)，玻碳电极作为工作电极，将纯化后的产品滴到预抛光的玻碳电极表面，然后自然干燥。在0.1M Bu₄NPF₆(CH₂Cl₂中)以100mV/s扫描速率记录CV曲线。

电化学阻抗谱(EIS)代表水凝胶的阻抗，尼奎斯特(Nyquist)图代表电荷转移电阻，循环伏安曲线(CV)代表电流响应和电荷存储能力，电荷注入能力(CIC)。

2、实验结果

本发明将化学交联和刺激响应物理相互作用相结合，基于改性PEDOT：PSS和明胶构建多功能导电水凝胶。本发明通过Tyr和PSS链的静电相互作用产生Tyr掺杂PEDOT：PSS(PEDOT:PSS-Tyr)，通过异氰酸酯-氨基反应和EDC/NHS化学合成UPy/Tyr双功能化明胶(GUT)。图1为DMSO-d6中Upy/Tyr双功能化明胶(GUT)和Tyr掺杂PEDOT:PSS(PEDOT：PSS-Tyr)的¹H-NMR谱，所示的¹H-NMR谱证实了它们的成功合成。具体的，图1A在2.6ppm和5.7ppm处的质子峰证实了UPy组成的存在，在6.7ppm和7.0ppm处的质子峰表明酪胺接枝成功，证明GUT成功合成；图1B峰位置分别代表PSS链上的质子氢和酪胺，证明了PEDOT：PSS-Tyr的成功合成。

为了制备导电水凝胶，通过HRP催化和基于Upy的四重氢键形成，将GUT溶液和PEDOT:PSS-Tyr分散体混合并交联，水凝胶的合成示意图如图2A所示，Tyr基的酶化学交联建立了与导电填料共价连接的水凝胶网络，使水凝胶具有高导电性和稳定的框架。同时，基于Upy的多重氢键进一步增强了凝胶与凝胶、凝胶与导电填料和凝胶与组织之间的动态物理相互作用，从而为水凝胶传感提供了保形生物整合特征，包括高拉伸性、快速自愈合和良好的组织粘附等。

采用电化学工作站研究了PEDOT:PSS-Tyr(PP)加入和Upy/Tyr双官能化对导电水凝胶电化学性能的影响。以缺乏Tyr、Upy或PP改性/掺杂的水凝胶样品，即以GU-PP、GT-PP和GUT作为对照。电化学阻抗谱(EIS，图2B)显示GUT-PP水凝胶具有最低的阻抗，特别是在与生理相关范围(0-200Hz)相似的较低频率下。作为电导率的典型研究，GUT-PP水凝胶的尼奎斯特(Nyquist)图(图2C)表现出最小的半圆半径，代表了最低的电荷转移电阻(R_et)和超快的电荷转移能力。此外，CV试验(图2D)表明，GUT-PP水凝胶具有最大的电流响应和电荷存储能力，这与EIS结果一致。以上结果表明，掺杂Tyr的PEDOT:PSS及其与水凝胶网络的共价和物理键合有效地提高了水凝胶的电导率。这不仅是由于GUT-PP水凝胶内构建了共价导电渗流网络，而且和PEDOT与明胶主链UPy部分的相互作用不可分割，促进了电子的连续转移。除此之外，本发明还进一步研究了GUT-PP水凝胶的电荷注入能力(CIC)，以评估其对电刺激效果的影响。如图2E所示，CIC值高达51μC cm^-2，表明GUT-PP水凝胶在电刺激过程中不会阻碍电荷流入。因此，GUT-PP水凝胶具有低阻抗、高导电性、高电荷存储和注入能力等优良的传感和界面特性，适用于生物电子应用。

试验例2、本发明水凝胶的力学、自愈、粘附性能和生物相容性的研究

1、实验方法

可穿戴式和可植入式生物传感器需要与柔性的人体组织紧密连接，以实现高质量的健康诊断和反馈治疗。因此，导电水凝胶作为一种介质，应该具有良好的长期生物整合特性，包括高拉伸性、自愈合性、组织粘附性和良好的生物相容性。

对实施例1中制备得到的GUT-PP水凝胶、GT-PP水凝胶、GU-PP水凝胶和UPy/Tyr双功能化明胶(GUT)进行流变学、力学性能和粘度测试。同时研究水凝胶的细胞相容性和光热效应。

流变：采用流变仪(MCR-302，Anton Paar)进行了流变学试验。将水凝胶(厚度1.5mm，直径6mm)加载于流变仪。角频率扫描测量(角频率范围1-100rad/s)固定应变为1％。为了表征剪切变稀行为，在剪切速率为0.01～10s^-1的范围内记录了粘度。进行了应变振幅扫描试验(0.1-1000％)，以确定线性粘弹性区域。采用循环剪切应变试验(小应变＝1％，大应变＝500％)观察水凝胶的自愈合能力。

力学：使用动态力学分析机(DMA，Q800，TA)测量了水凝胶的压缩和拉伸性能。压缩试验的加载速率为0.2N/min，最大加载至1.4N。拉伸试验以1500μm/min的位移速率进行。

黏附：通过将水凝胶夹在两个猪皮之间，测定了其粘附能力。简单地说，将猪皮切成10mm×30mm矩形，然后在使用前浸泡在PBS中。100μL的水凝胶预聚液在两块猪皮之间成胶，接触面积为10mm×10mm。采用DMA仪器的拉伸模式对制备的样品进行了测试。

细胞相容性：将L929细胞以1000个细胞/样品的密度接种在无菌水凝胶表面，以正常的48孔板作为对照。共培养3天后，按照说明书，用FDA/PI染色检测细胞活力。同时，按照说明书进行F-actin/DAPI染色，观察L929细胞形态。所有图像均采用倒置荧光显微镜(Leica，DMi8-A)捕获。

光热抗菌：将添加100μL金黄色葡萄球菌或大肠杆菌悬液(10⁸CFU mL^-1)的水凝胶暴露于近红外(NIR)激光下10min。然后将100μL菌悬液稀释加入琼脂平板，37℃孵育24h后计数琼脂平板上的菌落形成单位。设计生理盐水组，比较其杀菌活性。

2、实验结果

水凝胶力学，包括压缩和拉伸特性，首先通过动态力学分析来表征。如图3A所示，Tyr的酶化学交联将产生稳定的水凝胶机械骨架，Upy四重氢键起动态非共价交联作用，为水凝胶提供良好的可逆拉伸和压缩。由频率相关的存储模量(G’)和损耗模量(G’)显示，这里所有的复合水凝胶都表现出稳定和粘弹性行为，GUT-PP的G’值最高(图3B)。同样，GUT-PP也具有最佳的压缩强度(图3C)和拉伸强度(图3D)，表明化学和物理双模态交联的协同力学改善。特别是良好的拉伸性(322.5％)，甚至达到人类皮肤(60-75％)的5倍，在可穿戴柔性传感方面具有巨大的优势。图3E的可逆拉伸/压缩照片直观地展示了GUT-PP的柔性力学特性。此外，由于氢键的可逆解离重构作用，GUT-PP表现出剪切变薄特性(图3F)，在～313％(图3G)时发生凝胶-溶胶转变，使系统具有可注射性，从而促进其在不规则界面上的应用。

快速自愈是水凝胶传感器抗疲劳性能的一个重要表现形式。图4A显示了UPy单元之间四重氢键的动态可逆解离和重组，可以使复合水凝胶在生理条件下具有自主、高效的自愈合能力。通过循环剪切应变试验，观察到GUT-PP的自愈合行为(图4B)。宏观自愈试验和电路恢复实验进一步证实了GUT-PP的自愈合能力，如图4C-i所示，GUT-PP水凝胶在10min内，切割成3条，在重力下保持完整性。同时，经过GUT-PP水凝胶的自愈过程后，LED灯完全恢复到光照状态(图4C-ii)，直观地展示了GUT-PP水凝胶快速、高效的自愈能力。

除了自愈合特性外，水凝胶网络中丰富的氢键也带来了良好的组织粘附性(图4D)。通过搭接剪切试验测定了GUT-PP水凝胶在室温下的粘附强度为6.8kPa，在体温下的粘附强度提高到10.1kPa(4E和4F)。如图4G所示，GUT-PP水凝胶与新生大鼠温暖的皮肤紧密附着，适应了运动过程中的皮肤变形，同时也可以在不伤害皮肤和留下残留物的情况下去除。本发明推测，这种对温度响应的组织粘附是由于随着温度的升高，导致四重氢键的减弱。因此，水凝胶网络的流动性增加，随后自由移动的聚合物链暴露了一些活性基序(即明胶的氨基和羧基)，从而增强了与组织表面的氢键和静电相互作用。本发明认为，这种温度触发的粘附，使水凝胶与皮肤表面无缝接触，将在可穿戴电子设备中提供潜力，避免人体皮肤分层，并实现长期的信号检测。

生物相容性也是长期生物整合的一个重要问题，它允许植入设备通过防止免疫反应引起的阻抗增加，连续监测具有高信噪比的生物信号。FDA/PI(图5A)和F-actin/DAPI染色(图5B)显示，水凝胶表面培养的L929细胞随着培养时间增加，增殖逐渐呈典型的梭形形态，表明导电水凝胶具有良好的细胞相容性。此外，由于PEDOT的光热效应，GUT-PP在近红外(NIR)照射后具有最大的温度变化范围(ΔT＝27.3℃)(图5C)，与GUT相比GUT-PP对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的光热抑菌活性(图5D和5E)。结合上述柔性力学、自愈和自粘附的特点，本发明的复合水凝胶系统具有优越的生物整合性，为生物医学指标的长期监测、健康状况的精确诊断和特定疾病的原位反馈治疗提供了前所未有的机会。

试验例3、用于物理化学和电生理参数监测的传感性能研究

1、实验方法

本发明探讨了所开发的导电水凝胶在可穿戴传感中的应用，具体方法为：

将实施例1制备的GUT-PP水凝胶附着在身体的目标区域，包括手指、手腕和膝盖，通过数字源表(2612B，Keithley)记录应变传感。水凝胶的相对电阻变化量(ΔR/R₀)的测定公式为ΔR/R₀＝(R-R₀)/R₀×100％，其中R和R₀分别表示实时电阻和初始电阻。对于尿素传感，通过喷洒含有不同浓度尿素的人工汗液来模拟出汗。GUT-PP水凝胶在含有0mM、40mM和120mM尿素的人工汗液中浸泡1h，然后进行机电传感。

采用差分脉冲伏安法(DPV)检测尿素浓度，在-0.2～+0.6V的电位范围内，脉冲周期为0.5s，宽度为0.05s，宽度为0.05s。其中，通过在PP预聚体中加入尿素制备PP-尿素，并通过透析洗涤尿素。加入GUT-PP凝胶后，浸泡在不同浓度的尿素溶液中1h，进行电化学试验。

对于心电传感，GUT-PP导电水凝胶改性电极片附着在志愿者心脏附近的皮肤表面(使用商业导电凝胶片作为对照)，并进一步连接到蓝牙模块(BMD101，Wuxi Borunyin)收集心电信号，信号通过蓝牙适配器传输到电脑端(PC)。图6A为一个演示图片，GUT-PP水凝胶作为可穿戴传感器，获取电生理和身体运动信号，用于监测人体健康。

2、实验结果

GUT-PP首先作为人体运动检测的应变传感器。将GUT-PP附着在人体的各个部位，并记录其相对抗性的变化(ΔR/R0)。对手指、腕、膝等关节周期性弯曲恢复运动引起的阻力信号进行监测(图6B-6D)，得到显著的可重复信号，证明其对检测人体运动具有良好的可靠性。为了进一步探索可穿戴传感器在日常健康监测中的潜力，本发明构建了一个基于GUT-PP电极的无线心电信号检测系统，如图6E所示，结果表明，GUT-PP电极测量的心电信号与商业电极相当，P、Q、R、S、T峰清晰可见(图6F)，说明本发明GUT-PP水凝胶对信号记录的稳定性和强度达到了商业电极所要求的标准水平。

与目前仅用于生理信号检测的商用可穿戴传感器相比，包含生化代谢物监测是本发明水凝胶传感的一个重要优势，是多模态可穿戴传感器开发的重要一步。尿素是一种重要的氮代谢物，也是临床肾脏和心脏代谢疾病的标志物之一，作为具有代表性的生化指标。图7A表明，随着尿素浓度的增加(从10到100mM)，电流下降(从186.8μA到96.6μA)，相应的峰值电流响应变化表现出良好的线性关系，回归系数为0.9823(图7B)。说明本发明水凝胶对尿素具有刺激性响应，可以实现对尿素的检测。本发明水凝胶可以实现基于水凝胶的多模态表皮感知，有利于对人类健康状况的全面监测。

在相同的人体关节运动中，用含有不同浓度尿素的人工汗液样品处理GUT-PP传感器的机电信号(食指关节弯曲角度反复从0°变化到90°)。如图7C所示，通过喷洒含有不同浓度尿素的人工汗液来模拟汗液尿素浓度。用含有高浓度尿素(120mM，肾功能障碍中的异常浓度)的人工汗液处理的GUT-PP传感器的ΔR/R0显著下降，而在低浓度尿素(0-40mM)的健康汗液中，ΔR/R0几乎不受影响。这意味着GUT-PP水凝胶传感器可以检测汗液中高浓度尿素的信号，这可以反映疾病的症状(如肝或肾衰竭，或尿毒症)，并为人类健康异常提供早期预警。

试验例4、作为可植入双向接口的神经记录和治疗性电刺激的研究

1、实验方法

进一步探讨GUT-PP水凝胶在植入式软神经界面的应用。具体实验方法如下：如图8A所示，为了获得体内ECoG信号，本发明将实施例1制备的GUT-PP水凝胶保形连接到大鼠大脑右半球运动皮层的硬脑膜上，并将一根导电银丝与水凝胶接触。为了进行比较，本发明测试了由纯导电银丝制成的神经接口。

首先，腹腔注射10％的水合氯醛来麻醉SD大鼠，并将头部固定在一个标准的立体定向装置上。然后剃掉头部，切开皮肤，露出头骨。两个毛刺钻在两侧的头骨，硬脑膜部分去除暴露30mm²的大脑运动皮层表面，和一个银线包裹的螺钉电极放置在左边的毛刺孔作为参考。将GUT-PP水凝胶与大脑皮层进行适形接触(或将一根银线与大脑皮层进行接触)并通过一根用于ECoG记录的银线连接到体内多通道电生理记录系统(CerePlex Direct,Blackrock)的微型数字放大器上。ECoG信号在1kHz的采样率下获得，在1-250Hz进行带通滤波，并使用NeuroExplorer软件进行处理分析。

对于电刺激，将GUT-PP水凝胶和螺钉放置在大脑皮层，然后通过银线分别连接到独立的高功率刺激器(A-M systems，MODEL4100)的正负端。本发明输出一个0.3ms持续时间的单相100mV脉冲，周期为100ms。

ECoG信号按时间顺序记录。首先，记录癫痫诱发前10分钟的静息ECoG信号。然后，在大脑原位注射4-AP(一种钾离子通道阻滞剂，150mM，0.5μL)约20min后，记录癫痫发作期间的ECoG。相对立体定向坐标以前囟为中心，在海马体的注射位置约为前后侧(AP)-5.5mm，中外侧(ML)+为4.5mm，背腹侧(DV)-5.0mm。然后，施加电刺激15min，然后立即记录ECoG。

2、实验结果

如图8B所示，利用基于gut-pp的神经界面，成功测量了10-13Hz(α波)、13-30Hz(β波)和30-80Hz(γ波)等不同频率的信号波。且信号强度在所有频率范围内的信号强度与银丝相当(图8C)，这是由于在水凝胶中建立了连续的导电通路和组织粘附、抗变形特性，使GUT-PP水凝胶具有良好的生物整合，便于更好地与脑表面沟通，进行信号传递，从而实现神经信号的记录和放大。

此外，通过建立癫痫模型，证实了GUT-PP水凝胶基神经界面的治疗性电刺激作用。将4-AP注射到大鼠海马20分钟后获得癫痫发作的ECoG信号(图9A)，然后用GUT-PP水凝胶神经界面电刺激大脑皮层(ES)15分钟，再次记录ECoG信号。如图9B和9C所示，与癫痫发作前的静息状态相比，癫痫发作时的频谱功率显著增加，然后在电刺激后逐渐下降。这一现象意味着癫痫病神经网络中的超同步电活动异常增加，但通过神经信号的传递被电刺激有效地抑制。因此，GUT-PP水凝胶作为一种神经界面，不仅可以精确有效地记录ECoG信号，而且可以实现神经信号的双向通信，在非手术诊断和治疗疾病方面具有巨大的潜力。

综上，本发明将化学交联和刺激响应物理相互作用相结合，制备了基于UPy/Tyr双功能化明胶和Tyr掺杂PEDOT：PSS的生物相容性多功能水凝胶。由于双模态网络的形成，制备的生物相容性水凝胶显示出更高的电导率，同时具有突出的灵活性(柔性好，具有良好的拉伸性，可塑性好)、自愈合、粘附性以及尿素响应性。这些增强的指标使水凝胶材料能够表现出快速响应、生物集成和多模态传感性能。作为一种可穿戴传感器，水凝胶平台显示出同时跟踪人体运动、心电图甚至汗液代谢物尿素等物理化学信号的能力，提供了物理、化学和电生理参数等人体健康状况的全面视图。而在植入式应用中，它可以作为一个双向的神经接口，用于放大ECoG信号记录和治疗性电刺激，而没有神经炎症。这项工作的进展将有助于在多模态可穿戴传感器的发展，同时推进可植入式神经探针的设计概念，并为全面的医疗监测和人机交互研究提供更多机会。

Claims

1.一种集成多模态响应的导电水凝胶，其特征在于：它是由如下重量配比的原料制备而成：酪胺掺杂的PEDOT：PSS 0.1～0.5份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶10～16份；

所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS由如下重量配比的原料制备而成：聚(4-苯乙烯磺酸钠)1～10份、3,4-乙烯二氧噻吩1～5份、酪胺盐酸盐0.1～0.5份；

所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS制备方法包括如下步骤：

(1)称取各重量配比的原料；

(3)搅拌下加入氧化剂反应，得PEDOT：PSS；

(4)在步骤(3)得到的PEDOT：PSS中加入酪胺盐酸盐，反应，得到酪胺掺杂的PEDOT：PSS，纯化即可；

所述脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶的制备方法包括如下步骤：

3)溶剂中，将步骤2)得到的脲基嘧啶酮改性的明胶和酪胺盐酸盐，在EDC和NHS存在下反应，得到脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶，纯化，即可；

所述导电水凝胶的制备方法包括如下步骤：

(a)将酪胺掺杂的PEDOT：PSS在溶剂中分散，得到分散液；

(c)将步骤(a)得到的分散液和步骤(b)得到的溶液混合后，加入过氧化氢和辣根过氧化物酶，形成凝胶，即得。

2.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：它是由如下重量配比的原料制备而成：酪胺掺杂的PEDOT：PSS 0.3份、脲基嘧啶酮和酪胺改性的明胶15份。

3.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：所述酪胺掺杂的PEDOT：PSS由如下重量配比的原料制备而成：聚(4-苯乙烯磺酸钠)6份、3,4-乙烯二氧噻吩1份、酪胺盐酸盐0.2份。

4.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：

步骤(2)中，所述溶剂为水；

步骤(2)中，所述pH值为2；

步骤(2)中，所述搅拌速度为200～500rpm，搅拌时间为30～60min；

步骤(3)中，所述搅拌速度为800～1000rpm；

步骤(3)中，所述氧化剂与3,4-乙烯二氧噻吩的质量比为(1～4)：1；

步骤(3)中，所述反应为在20～30℃下反应24～48h；

步骤(4)中，所述反应为在20～30℃下反应12～24h；

步骤(4)中，所述纯化方式为透析。

5.根据权利要求4所述的导电水凝胶，其特征在于：步骤(3)中，所述氧化剂为过硫酸胺或过硫酸钾。

6.根据权利要求1所述的导电水凝胶，其特征在于：

步骤1)中，所述反应的温度为100～120℃，反应时间为12～24h；

步骤1)中，所述反应后纯化，纯化方式为将反应液沉淀，然后洗涤、干燥；

步骤2)中，所述明胶和Upy-HDI的质量比为1：(0.01～0.1)；

步骤2)中，所述溶剂为DMSO；

步骤2)中，所述反应的温度为20～30℃，反应时间为24～48h；

步骤2)中，所述反应后纯化，纯化方式为将反应液沉淀，然后透析、干燥；

步骤3)中，所述脲基嘧啶酮改性的明胶、酪胺盐酸盐、EDC和NHS的质量比为(1～4)：(1～2)：(0.1～1)：(0.1～1)；

步骤3)中，所述溶剂为MES水溶液，pH值为4～6；

步骤3)中，所述反应的温度为20～30℃，反应时间为12～24h；

步骤3)中，所述反应后纯化，纯化方式为透析，然后干燥。

7.权利要求1～6任一项所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(a)将酪胺掺杂的PEDOT：PSS在溶剂中分散，得到分散液；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

步骤(a)中，所述分散液的浓度为2～4wt％；

步骤(b)中，所述溶液的浓度为10～15wt％；

步骤(c)中，所述过氧化氢的浓度为0.1～1wt％；

步骤(c)中，所述辣根过氧化物酶的浓度为20～30U/mL。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

步骤(a)和步骤(b)中，所述溶剂为水；

步骤(a)中，所述分散液的浓度为4wt％；

步骤(b)中，所述溶液的浓度为15wt％。

10.权利要求1～6任一项所述的导电水凝胶在制备可穿戴生物感器中的用途；和/或，在制备植入式神经接口中的用途。