芦茜：高性能压电水凝胶离子发生器和通过微观孔隙和相混合的活性蛋白质吸收剂【AM，2024】

发布时间：2024-01-03       阅读：16次

生物体中的电场对组织生长、物质传输、分子转化等各种过程起着重要的作用，在组织修复、功能调节等生物材料中引入压电活性改变电场，是制备高性能生物材料的重要途径。水凝胶作为具有仿生材料，广泛应用于组织工程、模拟器官、医疗等领域。然而，在生物相容性离子环境中的水凝胶发电仍然具有挑战性。另外，作为组织工程或医疗材料，它们通常采用与生物机体相异的离子种类，存在生物相容性风险。在这些发电机中获得的低于100 mV的电压不足以触发神经反应。此外，物质交换在生物环境中普遍存在，在组织工程基质中具有重要意义，但先前开发的离子发生器在提供丰富的物质交换方面存在缺陷。

基于上述问题，我校材料科学与工程学院硕士研究生芦茜、博士研究生陈尧在张以河教授、安琪教授、解放军总医院冯泽国主任等共同指导下，开发了一种多孔相混水凝胶，以实现响应机械力产生600 mV有效交流电压的离子发生器。该工作的亮点如下：

（1）利用致孔剂法制备了多孔聚丙烯酰胺水凝胶，对比不同致孔剂对输出压电性能的影响。改变不同厚度、压力及加入不同种离子，探究多孔聚丙烯酰胺水凝胶的压电机理，并进一步利用COMSOL模拟多孔聚丙烯酰胺水凝胶产生的电势和离子流动过程（图1、图2）。

（2）以多孔聚丙烯酰胺水凝胶为基体，将疏水性的PVDF-HFP压电高分子通过溶剂置换法制备PVDF-HFP/聚丙烯酰胺复合水凝胶。探究不同频率、离子种类对其压电影响，并利用分子动力学阐述压电离子机理（图3）。

（3）展示了PVDF-HFP/聚丙烯酰胺复合水凝胶在人工触觉传感器、酶固定、神经刺激以及建立动态时空化学和电场模式方面的应用（图4-图6）。

图1 多孔PAM水凝胶的压电响应

图2 压电过程模拟及其影响因素

图3 多孔相共混PVDF-HFP/PAM复合水凝胶：压电离子发电、其关键影响因素以及压电离子机理阐明

图4 PVDF-HFP/PAM复合材料的模拟触觉应用

图5 压电离子水凝胶的活性蛋白质吸附性能及其潜在应用

图6 压电离子水凝胶在神经调节和时空化学电场生成中的应用探索

上述研究成果发表于材料领域国际权威杂志《Advanced Materials》上：Xi Lu^#, Yao Chen^#, Yihe Zhang*, Jiajun Cheng, Kaixuan Teng, Yunfan Chen, Jing Shi, Danlei Wang, Long Wang, Shaohua You, Zeguo Feng*, Qi An*. Piezoionic high performance hydrogel generator and active protein absorber via microscopic porosity and phase blending, Advanced Materials, 2023. [IF 2023 = 29.4]

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202307875