西南交大鲁雄/谢超鸣团队：仿贻贝纳米酶用于构建多功能水凝胶生物电子

水凝胶，由于高含水量和可调的机械性能，被广泛用于柔性生物电子领域。但是，当前大部分水凝胶生物电子缺乏多功能性来匹配生理环境。特别是缺乏与组织的粘附性，导致水凝胶生物电子需要外部辅助固定，因此不能稳定的获取生理信号。赋予水凝胶粘附性可以避免使用外部辅助固定，有利于与组织紧密结合，从而提升获取生理信号获取的可靠性和精确性。但是，制备多功能的粘附水凝胶具有挑战性。现在，大部分水凝胶需要通过外部刺激聚合（如紫外和热引发）。因此，亟待开发一种可以在生理条件下不用外部刺激就自成型的多功能水凝胶生物电子，特别是植入生物电子。天然酶可以通过催化自由基聚合来制备水凝胶。但是，天然酶不稳定，容易失活，而且使用成本较高。近年来，纳米酶，一种具有天然酶的催化性能的纳米材料，由于其稳定性和经济性，被广泛用于模拟天然酶。利用纳米酶的高效催化性能和稳定性，可使水凝胶在不需要外部刺激下聚合。值得注意的是，如何利用纳米酶赋予水凝胶生物电子多功能性，特别是粘附性是一个需要解决的关键问题。

针对这一问题，西南交通大学鲁雄教授和谢超鸣副教授团队利用天然多酚单宁酸（TA）还原银纳米颗粒（Ag NPs）, 设计了一种仿贻贝纳米酶（TA-Ag）。该仿贻贝纳米酶可催化水凝胶在无外界刺激下自成型。而且，类似于贻贝的黏附机理，通过Ag NPs与TA组成了电子供体-受体的复合体系，仿贻贝纳米酶维持了其表面的酚-醌氧化还原平衡，为水凝胶提供了大量的多酚基团。这些多酚基团赋予了水凝胶长期稳定的粘附性。同时，多酚基团使纳米酶能够均匀地分散在水凝胶网络中，从而提高了水凝胶的机械性能和导电性，使水凝胶可以作为粘附电极用于检测人体生理信号。而且，仿贻贝纳米酶催化的水凝胶还可以加速皮肤伤口修复。不仅如此，由于仿贻贝纳米酶的过氧化物酶活性产生ROS使水凝胶具有催化抗菌性能。同时，由于其粘附性，缩短了ROS与细菌的接触距离，从而进一步增强了水凝胶的抗菌能力。该工作开发设计了一种新型的仿贻贝纳米酶，可用来制备具有多种功能的水凝胶，满足生物传感器、可穿戴电子和医用敷料等领域的需要。

该工作以Mussel-inspired nanozyme catalyzed conductive and self-setting hydrogel for adhesive and antibacterial bioelectronics为题目发表于《Bioactive Materials》。论文共同第一作者为在读博士贾占荣和在读硕士吕炫汉。鲁雄教授和谢超鸣副教授为共同通讯作者。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21000451

图1. 仿贻贝纳米酶（TA-Ag）催化机理。

（a）仿贻贝纳米酶通过其表面的电子转移维持酚-醌氧化还原平衡。

（b）仿贻贝纳米酶催化水凝胶自成型。

（c）仿贻贝纳米酶赋予水凝胶催化抗菌性能。

（d）仿贻贝纳米酶赋予了水凝胶良好的机械性能、粘附性和导电性，可用于粘附人体皮肤检测生理信号。

图2. 仿贻贝纳米酶的表征及其催化动力学。

（a）仿贻贝纳米酶的TEM图像；

（b）仿贻贝纳米酶的XRD分析；

（c）仿贻贝纳米酶的XPS分析；

（d）仿贻贝纳米酶的过氧化物酶活性；

（e-f）不同TMB浓度下仿贻贝纳米酶的过氧化物酶活性Michaelis–Menten曲线;

（g）仿贻贝纳米酶的ESR谱图；

（h-i）仿贻贝纳米酶的DFT计算；

（j）仿贻贝纳米酶催化水凝胶自成型机理示意图。

图3. 仿贻贝纳米酶的催化抗菌能力评价。

（a）仿贻贝纳米酶抗菌机理图；

（b-c）仿贻贝纳米酶短期抗菌能力；

（d）细菌体内仿贻贝纳米酶产生的ROS荧光标记图；

（e）细菌体内仿贻贝纳米酶产生的ROS半定量图；

（f-i）仿贻贝纳米酶粘附于大肠杆菌表面的SEM图片和EDS分析；

（j-k）仿贻贝纳米酶催化的水凝胶的抗菌性评价。

图4.水凝胶的粘附性能。

（a）水凝胶粘附于不同基底；

（b）水凝胶与不同基底之间的粘附力；

（c）水凝胶在猪皮表面反复粘附30次的粘附力；

（d）水凝胶在人体皮肤反复粘附30次图片；

（e）水凝胶仿贻贝粘附机理图。

图5. 水凝胶的导电性和生物电子应用。

（a）水凝胶点亮LED灯泡；

（b）根据不同仿贻贝纳米酶的含量可调节水凝胶的导电性；

（c）高通量电刺激细胞示意图；

（d）不同电压刺激下，细胞在水凝胶表面生长荧光图片；

（e）不同电压刺激下，细胞在水凝胶表面的活性；

（f）不同电压刺激下，细胞在水凝胶表面长径比；

（g）水凝胶作为植入电极，植入兔子背部检测其生理信号；

（h）水凝胶作为表皮电极，粘附人体皮肤检测其生理信号。

图6. 水凝胶的机械性能。

（a）水凝胶可拉伸至原始长度的20倍；

（b）水凝胶的循环拉伸曲线；

（c）水凝胶的应力-应变曲线；

（d）水凝胶的强伸积；

（e）水凝胶的断裂能；

（f）水凝胶压的缩性能展示；

（g）水凝胶的循环压缩曲线；

（h）水凝胶的SEM图片；

（i）水凝胶表面的Ag元素分析；

（j）仿贻贝纳米酶增强水凝胶力学性能机理图。

图7.水凝胶促进伤口修复。

（a）手术示意图；

（b）水凝胶修复伤口展示；

（c）不同水凝胶处理的伤口修复率；

（d）不同水凝胶处理21天后，伤口部位切片的H&E染色；

（e）水凝胶体内抗菌性能。

本文由作者投稿。