可植入式器件裝備（如可植入式傳感器、可植入式執行器等）是實現人機界面交互和智能生物醫學工程的重要保障和技術前提，已成為多個學科領域科學研究的前沿熱點。但生物體內場景的復雜性對可植入式器件提出了極為苛刻的要求：要同時具備一定的機械強度、高度的生物相容性和良好的運維指標等。為此，作為兼具這幾種特性的功能材料，水凝膠被廣泛用來研究構筑各種可植入式器件裝備。但當前主流的高分子交聯水凝膠（1）機械強度難以精準和大范圍調控，（2）盡管具有一定的生物相容性，但可降解性無法實現；因此大大制約了可植入式器件的發展和實際應用。相比之下，基于生物有機分子（如肽、氨基酸、DNA等）自組裝構筑的超分子水凝膠有望在形性上同時滿足制造可植入式器件的需求。尤其是通過精確調控分子間作用力，生物有機分子自組裝結構可被精準操控，從而實現形性可編程式超分子水凝膠的設計構筑，有望設計制造理想的可植入式器件。鑒于此，浙江大學機械工程學院陶凱研究員通過與浙江大學航空航天學院潘定一教授、修鵬副教授等合作者組建了一支多學科交叉研究團隊，通過精確控制分子間驅動力，實現了短肽自組裝在納米纖維—納米螺旋—納米帶之間的精細轉化，從而精準調控超分子水凝膠的宏觀機械性能。利用分子制造技術，采用單一短肽自組裝體系即可開發出可植入式觸覺傳感器的基底構件和敏感單元等，首次實現了利用生物有機自組裝超分子水凝膠設計構筑可植入式觸覺敏感元件，從而為無副作用的人機界面交互和智能生物醫學工程的實現提供了新的選擇（圖1）。相關成果以“Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable Properties for Tactile Sensing”為題發表在國際權威學術期刊Advanced Materials (IF = 27.4)上；我所修鵬副教授為論文共同通訊作者，我所碩士生孫吳雪鵬、博士生吳凱為該論文的分子模擬工作做出了重要貢獻。
本文以被廣泛研究的自組裝短肽——Fmoc-FF為例，其自組裝納米纖維基水凝膠儲能模量約為40.5 ± 10.9 kPa，遠不足以擔任基底材料支撐器件結構。為了提高其機械性能，本文在短肽自組裝過程中引入乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）作為輔助劑，通過增加短肽—溶劑分子間的相互作用力，精確控制自組裝結構扭曲力與結合力之間的力學平衡，首次實現了Fmoc-FF自組裝納米纖維轉變成納米螺旋，并進一步展開成納米帶結構。通過實驗表征和分子動力學模擬相結合，論文詳細探究了PEGDA對Fmoc-FF自組裝影響的分子機制和作用規律（圖2）。
圖2 PEGDA調控Fmoc-FF自組裝
形貌決定性能，并影響材料的整體特性及器件的最終表現。研究發現，自組裝納米帶基超分子水凝膠的儲能模量高達438.1 ± 53.6 kPa——可媲美人類組織/器官的機械強度。采用介觀耗散粒子動力學方法進行流體力學模擬表明：與納米纖維基水凝膠相比，基于較寬納米帶的超分子水凝膠具有更大的復響應函數實部，致使體系產生更高的儲能模量和機械強度。
因此，分別利用短肽自組裝納米帶和納米纖維（與導電高分子PEDOT:PSS共組裝）基超分子水凝膠設計制造基底和敏感單元部件，可以制備出肽自組裝基觸覺感知器件。性能標定測試實驗表明：該短肽自組裝基觸覺傳感器具有適當的靈敏度、快速的動態響應、可變振幅/頻率的高分辨率以及可靠的穩定性，從而可作為傳統高分子聚合物基觸覺感知器件的替代品用于可穿戴設備和人機接口應用，如運動檢測和健康監測等。
生物有機自組裝體系的一大優勢是優良的生物相容性。通過將短肽自組裝超分子水凝膠植入到實驗大鼠皮下部位，顯示出較弱的免疫反應、松散的纖維化包封以及較低的膠原密度，并且沒有發現巨噬細胞浸潤或異物巨細胞等；并且在植入7天后水凝膠完全降解消失；因此顯示出優良的生物相容性和體內可降解性。利用上述編程制備的短肽自組裝超分子水凝膠基觸覺傳感器不僅可以用作仿生電子皮膚，更能植入到體內進行原位、實時的傳感檢測；并且可以隨著病灶的恢復而自行降解，無需二次手術取出，從而有望減輕病患的負擔。這一成果將為生物電子學在人機接口和智能生物醫學工程等領域中的應用提供新的思路。
文章信息：
Yunxiao Wang, Qiang Geng, Hao Lyu, Wuxuepeng Sun, Xinyuan Fan, Kang Ma, Kai Wu, Jinhe Wang, Yancheng Wang, Deqing Mei, Chengchen Guo, Peng Xiu*, Dingyi Pan*, Kai Tao*, Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable Properties for Tactile Sensing. Adv. Mater. 2024, 2401678. https://doi.org/10.1002/adma.202401678