分子竞争诱导构建Janus水凝胶生物电子界面及其电疗调控应用

《Nature Communications》：Molecular competition induced Janus hydrogel bioelectronic interface for electroceutical modulation

为解决Janus水凝胶生物电子界面制备复杂、不对称性能可控性差及层间结合力弱等问题，研究人员开展分子竞争诱导构建梯度结构Janus水凝胶的研究，通过单侧UV光驱动竞争反应实现时空渐进聚合，形成14.6倍界面粘附差异，并自组装聚吡咯导电网络实现高效双向生物电转导，为腹壁损伤电疗调控和电生理信号采集提供新平台。

　　

在生物医学工程领域，水凝胶生物电子界面作为连接生物系统与电子设备的关键桥梁，能够实现组织界面的机械耦合和高效生物电交互（包括内源性生物电信号捕获和外源性电疗调控）。然而，传统水凝胶界面在应用过程中面临一个棘手难题：虽然研究者们通过分子工程、网络结构调控等功能化修饰策略显著提升了水凝胶的粘附强度，但这些方法往往只关注单方面的粘附增强，而忽视了空间粘附限制。这导致水凝胶的非粘附侧表面常常会与非目标表面发生意外粘附，进而引发电子信号失真等一系列并发症。

近年来，具有双面异质结构的Janus水凝胶因其独特的多功能集成能力和精确的界面调控特性而备受关注。通过合理设计具有可编程不对称粘附特性的Janus水凝胶，成为解决传统生物电子界面上述挑战的关键突破口。虽然科学家们提出了外力诱导（重力、浮力、离心力等）、逐层集成和单侧表面修饰等创新策略来增强界面不对称性，但这些方法仍受限于制备工艺复杂、条件苛刻、重现性/可控性差以及层间界面结合力不足等关键问题。特别是传统的Janus水凝胶普遍存在明显的层间滑移和界面性能突变，直接影响其机械鲁棒性和长期功能稳定性。值得注意的是，梯度结构Janus水凝胶通过其连续的组分、交联密度或力学性能变化，能够有效解决这些局限性。然而，制备这种梯度结构仍然面临挑战，需要对组分梯度陡度、交联密度分布等关键参数进行精确调控，导致制造成本高、重现性差以及对不同材料体系的适应性有限。因此，开发简单高效、普适性强的制备方法成为推动梯度Janus水凝胶实际应用和规模化制造的关键需求。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究团队创新性地提出了分子竞争诱导（Molecular Competition Induction）机制，通过巧妙的动力学调控策略，成功实现了梯度结构Janus水凝胶的一步法制备。该研究利用丙烯酰胺（AM）和磺基甜菜碱（SBMA）两种单体在聚合动力学上的显著差异，通过单侧UV诱导的方向性渐进聚合，构建了具有双重结构和组分梯度的Janus水凝胶。这种独特的构型有效解决了传统Janus水凝胶界面结合弱和层间滑移的问题，同时实现了14.6倍的界面粘附差异。在粘附侧自组装图案化聚吡咯（PPy）导电渗流网络后，该Janus水凝胶生物电子界面通过机械-电耦合实现了稳健高效的双向生物电转导，可用于腹壁损伤的电疗调控和电生理信号采集。

研究团队主要运用了以下几个关键技术方法：通过微红外流变仪实时监测凝胶化过程中的流变学性质和傅里叶变换红外光谱（FTIR），结合粗粒度分子动力学（CG-MD）模拟阐明梯度结构形成机制；利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和共聚焦显微镜进行多尺度表征；采用爆破压力、搭接剪切和90°剥离测试评估不对称粘附性能；通过电化学工作站系统分析界面阻抗、电荷存储能力（CSC）和电荷注入能力（CIC）等电化学行为；建立大鼠腹壁缺损模型和坐骨神经调控模型进行体内功能验证。

表征结果显示，实时FTIR光谱分析揭示了AM和SBMA的竞争性凝胶化机制，其中AM的双键在Stage I快速消耗，而SBMA在Stage II才发生显著链增长。SEM图像清晰展示了多孔聚合物网络中明确的梯度过渡结构，孔径从顶部（35~40 μm）到底部（5~15 μm）逐渐减小。3D荧光成像进一步证实了PAM链在下层水凝胶中的优先积累，构成了Janus水凝胶不对称结构的基础。XPS和FTIR光谱分析均显示顶部界面存在更强的PSBMA特征信号，验证了组分的梯度分布。

不对称结构形成机制通过分子动力学模拟得到深入阐释。模拟结果显示，由于双键电子云密度和反应活性的差异，AM单体在Stage I快速消耗，而SBMA在整个指定时间内保持恒定反应速率。这种差异化的聚合动力学导致PAM链在水凝胶网络中呈现Z轴梯度分布，与相对均匀的PSBMA链分布形成鲜明对比。密度场分析进一步证实了这种结构不对称性，显示顶部区域PAM密度降低，同时PSBMA密度增加。有限元分析（FEA）表明，梯度结构的Janus水凝胶在弯曲和拉伸时能够快速消散应力，从而有效缓解界面应力集中和界面滑移。

不对称粘附性能评估显示，Janus水凝胶在37.5 wt% SBMA含量时达到最佳不对称粘附性能，粘附侧的爆破压力达到118.9 mmHg，优于商用专业生物粘合剂，且比非粘附侧增强7.3倍。搭接剪切和90°剥离测试表明，粘附侧在所有测试基底上均表现出优异的剪切强度（高达40.17 kPa）和界面韧性（高达110.48 J·m^-2），最大增强倍数达14.6倍。粘附侧在多次粘附-脱附循环和基底拉伸过程中保持高剪切强度和界面韧性，显示出卓越的耐久性和操作可靠性。

电化学行为研究表明，PPy图案化的Janus水凝胶界面具有超过8.7 S/m的优异电导率，在3000次拉伸循环后仍保持高于7.6 S/m的电导率。循环伏安（CV）测试显示其具有较高的电流密度和良好的电荷存储能力，在1000次充放电循环和长期PBS溶液浸泡后保持稳定。电化学阻抗谱显示界面在10^-1~10⁴Hz频率范围内具有较低的界面阻抗（<100 Ω），且在3000次拉伸循环后仍保持稳定。在±0.5 V双相脉冲刺激下，电荷注入容量（CIC）值显著高于对照组，在3000次双相电荷注入后衰减可忽略不计（<2.2%损失）。

生物医学应用验证表明，Janus水凝胶界面在肌电图（EMG）、心电图（ECG）和眼电图（EOG）采集方面表现出卓越性能，在静态和汗液条件下均保持高信噪比（SNR）。在大鼠模型中，该界面实现了心外膜ECG连续动态采集，信噪比（13.9 dB）显著高于商用金电极（8.3 dB）。坐骨神经调控实验显示，Janus水凝胶界面在0.15 V的较低阈值电压下即可诱发大鼠腿部关节运动，优于商用金电极（0.5 V），并成功捕获了各种机械刺激下的高信噪比神经电图（ENG）信号。

腹壁重建的电疗调控研究通过大鼠腹壁缺损模型证实，Janus水凝胶生物电子界面能够紧密粘附于腹壁缺损处，有效抵抗腹压并防止组织粘连。电刺激治疗组显示出增强的L929细胞增殖和迁移效率，伤口闭合率（4.2%）比对照组（27.1%）提高近6.5倍。组织学分析显示电刺激治疗组胶原沉积和血管生成增加，免疫荧光染色证实EGF、TGF-β和SMAD 2/3表达水平显著上调。Western blotting结果进一步表明，这些蛋白在电刺激治疗组中显著上调，证实Janus水凝胶界面介导的电刺激通过激活MAPK和TGF-β/SMAD信号级联，有效加速细胞增殖并促进腹壁重建。

该研究通过分子竞争诱导机制成功构建了具有梯度结构的Janus水凝胶生物电子界面，解决了传统制备方法的复杂性、不对称性能可控性差和层间结合力弱等关键问题。这种一步法制备策略不仅实现了14.6倍的界面粘附差异，还通过自组装PPy导电网络赋予了界面优异的电化学性能。在生物医学应用方面，该界面展现出卓越的电生理信号采集能力和低电压神经调控效能，特别是在腹壁缺损修复模型中证实了其通过电刺激激活特定信号通路促进组织再生的治疗潜力。这种高效、标准化的制备策略为Janus水凝胶的大规模生产提供了重要潜力，将推动其在生物电子学领域的广泛应用和商业化进程。