东华大学武培怡团队《AFM》：生物启发的新一代诊疗离子皮肤

由于具有可调节的机械性能，高透明度，离子电导率，多模式感知功能，并且可回收利用，基于水凝胶的离子皮肤消除了电子离子界面，并为人工设备与天然生物之间的信息传输载体的兼容性铺平了道路，在智能皮肤材料中显示出巨大优势。但是，第一代离子皮肤很少关注周围环境，天然生物和人造皮肤之间的界面相互作用。特别地，当前基于传统合成水凝胶的离子皮肤在体外易脱水并且缺乏与生物组织的物质传输通道。

为应对这些关键挑战，东华大学武培怡教授课题组受生命系统中的天然水凝胶启发，设计了一种具有保湿因子的水疗离子皮肤，可锁定水；同时，生物矿物质离子传输信号，并通过仿生梯度通道将物质从非生命体传递至生命体。所设计离子皮肤在环境条件下稳定，具有粘性并在哺乳动物皮肤上水合，并具有非侵入性的点对点诊断技术，进行定点给药，具有增强的治疗功效并可极大减少副作用。相关工作以“Bio‐Inspired Ionic Skin for Theranostics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

【生物启发的水凝胶设计】

水凝胶配方的灵感来自天然动物的皮肤和植物的叶子。它们包含超10％的水分，并且富含保湿因子，例如氨基酸，甜菜碱和生物矿物质离子。这些保湿因子构建了超分子氢键网络来储备水和抗失水。同时，邻近组织通过离子空间分布，浓度梯度和分层通道交换信息和营养。本研究生物启发水凝胶通过三个主要的保湿因子动态交联：生物提取的丝素蛋白，生物相容性甜菜碱类似物和生物矿物质钙离子。丝素蛋白是在钙离子的存在下从家蚕丝中提取的。它富含的多种氨基酸，是人体皮肤中必不可少的保湿成分。甜菜碱广泛存在于耐旱植物中，例如菠菜，麦芽和蘑菇，在这里使用其人工类似物磺基甜菜碱，其两性离子结构与天然甜菜碱相似。而钙离子不仅在溶解丝素蛋白中起到关键作用，其本身也具有一定的吸湿性，有助于将水保留在物理交联网络中。

离子皮肤的设计、制备及表征

【离子皮肤的保水能力及与皮肤相互作用】

当水凝胶在室温（25°C）或体温（35°C）的露天环境中暴露时，它可以锁定恒定质量分数高达43％的水（90％相对湿度（RH）），在人体温度下略微降低至31％。在模拟的人类皮肤表面环境（35°C，60％RH）下平衡的水凝胶用于差示扫描量热法（DSC）分析，在冷却和加热循环中，焓值没有变化，这表明由于与保湿因子的强相互作用，水分子处于非挥发性结合形式，这不同于传统合成水凝胶中的游离水。传统水凝胶的解决方案之一是具有稳定的有机溶剂来代替水，但是有机溶剂对生物系统是不利的，通常会引起体液的反渗透。

当水凝胶附着在人的手指上时，它是光滑、水合的，产生近似于年轻皮肤的外观的漫反射和镜面反射。同时，水凝胶通过非共价相互作用牢固地粘附在皮肤上。使用探针分子研究生物启发的水凝胶与生物组织之间的界面相互作用，当探针分子从体外水凝胶逐渐扩散到体内组织时，在界面处会形成静脉状的分层荧光通道，这主要是由于：受生物启发的水凝胶在天然皮肤的表面上提供了水合的生理环境，因此将药物或营养物质不断地泵送到浓度梯度驱动的生物组织中。

生物启发水凝胶保水能力及与皮肤相互作用表征

【水凝胶的生物相容性和生物保护性】

佩戴生物启发水凝胶24小时后，小鼠皮肤保持良好的弹性，避免了由高盐浓度的传统水凝胶引起的脱水问题。这是因为生物提取的丝素蛋白与生物矿物质离子相互作用，从而保护皮肤组织。使用小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）和人乳腺上皮腺泡细胞（MCF-10A）进一步验证了生物相容性。这些结果表明了生物启发性水凝胶可长时间佩戴，无需担心在合成塑料或无机生物电子产品中通常会出现的过敏反应。除了生物相容性外，水凝胶还可以用作保护层，保护皮肤免受细菌污染和烧伤。

水凝胶的生物相容性和生物保护性能

【用于诊断的生物矿物质离子信号】

使用3D打印技术可以制备多种仿生离子皮肤，当3D打印的离子皮肤贴在人的手指上时，它可以完美地适应人的手指的不规则形状，并且在手指弯曲时其电容显示可逆的增加。除肢体运动外、不同结构和诊断功能的离子皮肤可以实现高效高精度心电图信号采集，实时分析体温变化，对生物表面肿瘤部位进行示警。

用于诊断的生物矿物质离子信号

【仿生通道可实现安全治疗】

与仅诊断健康状况的导电弹性体或水凝胶-弹性体混合物不同，受生物启发的离子性皮肤可以保留水和小分子，从而在体外构造出稳定的仿生环境，并通过天然-人工浓度梯度建立传输通道。例如，在基于生物矿物质离子信号诊断出癌症风险之后，受到生物启发的离子皮肤也可以在不牺牲生物组织完整性的情况下进行治疗。以乳腺癌的皮下异种移植模型为例，小分子水溶性顺铂药物能够通过离子皮肤向生物皮肤渗透，实现对皮下肿瘤组织的富集效果，增强疗效，同时减少进入血液，从而降低副作用。

仿生通道可实现安全治疗

总结：这项工作开发了用于诊断治疗的新一代离子皮肤。材料设计从自然中汲取了经验，并解决了界面生物电子学中的长期挑战，包括人机之间的紧密交互以及无创的点对点原位诊断和治疗。生物启发的水凝胶作为生物组织的人工对应物，可以在体外储存水和药物，允许通过离子运动感知信息，并使物质与生物系统直接通讯。受生物启发的离子型皮肤通过灵敏的检测实现点对点的非侵入式治疗学，提高治疗功效，并减少副作用。因此，离子皮肤的功能和应用已从可伸缩传感器扩展到智能医疗保健。未来可以根据个性化需求优化材料设计并开发更多模型。这项工作可能会改变水凝胶和人机界面的应用，从而实现智能治疗。

来源：高分子科学前沿

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