近日，上海理工大学铋科学研究中心岳兵兵、缪煜清等人与复旦大学朱亮亮团队提出了一种新型的导电水凝胶系统，能够在低电压区域实现快速且可控的客体单元释放，具有广泛的应用潜力。相关论文以“导电水凝胶系统，可在低压区域快速可控释放客体”为题发表在专注于纳米材料与物质性质研究领域的国际期刊《Small》（IF=13）上。该研究成果通过电场调控非共价键的相互作用，提供了一种新的机制，避免了传统氧化还原反应带来的稳定性问题，增强了材料的安全性和效率。该系统不仅适用于药物释放，还能进行时间锚定的信息编码，展示了多功能性和灵活性，在生物医学和信息技术领域也具有潜在的应用前景。
水凝胶由于具有可调节的三维网络结构及良好的生物相容性被广泛应用于客体单元的递送，在生物医用、信息传输等领域发挥重要作用。区别于传统依赖溶胀、降解等途径的“被动”释放，刺激响应 “可控”释放近年来受到更多的关注，推动了智能水凝胶的发展。电刺激是一种精准有效的手段，在水凝胶中引入聚吡咯、聚苯胺或电响应材料（如二茂铁）等电化学调制单元，这些材料具有较低的电化学氧化还原电位，能够在低电压下输送客体单元。这些研究激发了电刺激递送系统的发展。然而，这些电控释通常依赖于电化学反应及氧化还原过程触发的凝胶结构转变，在可逆性和稳定性方面受到了限制。因此，开发一种既能实现低电压下快速释放，且安全稳定的物理电刺激控释体系显得尤为重要。
该研究采用改性壳聚糖制备的阳离子微球与聚乙烯醇（PVA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS，或简化为 P:P）复合形成的水凝胶，能够在1.5 V的低电压下实现快速可控的客体单元释放，通过电场调控非共价键的相互作用，避免了传统电化学还原反应带来的稳定性和可逆性限制，展示了全新的控制释放机制。
该研究基于一个独特的设计策略：利用外部电场操控水凝胶中的非共价键作用，促进多种客体分子的有效输送，包括抗癌药物和荧光染料。研究的目标旨在实现低电压下的快速和可控的客体释放，解决传统电刺激响应材料需高电压的局限性。
在可控释放机制方面，该导电水凝胶由动态硼酸酯键交联的PVA作为凝胶基质，通过氢键作用与导电聚合物PEDOT:PSS形成双网络结构。内部穿插和PEDOT:PSS双网络通过动态硼酸酯、氢键交联而成，内部负载的正电荷纳米乳微球与PSS通过静电结合。在低电压作用一方面诱导氢键变弱使凝胶网络可控增大，另一方面产生静电排斥促使载有客体单元纳米乳快速释放。这一电刺激下的物理过程，不仅产生了可控释放机制，还具备更好的可逆稳定性和自愈合特性，这些特性对于智能生物医用材料的广泛适用性至关重要。
在材料设计方面，由于 PVA 水凝胶通常是通过与硼酸钠交联制备的，这导致高交联密度，从而限制了它们在客体分子递送中的有效性。在此，在硼酸盐交联存在下，使用低浓度的 PVA制备了动态自修复水凝胶。此外，采用冻融策略在水凝胶中引入更多的结晶结构，在不改变化学结构的情况下增强其稳定性，有效地解决了仅由硼酸盐交联的水凝胶的结构限制。
水凝胶的导电性主要源于 PEDOT 的π共轭结构，其主链中有多离域电子，使它们能够在链段上自由移动。客体分子的可控递送系统是根据 NE 微球和 PVA-P:P 水凝胶的结构特征量身定制的。由于 PSS 在 P:P 的结构内是亲水性的，而 PEDOT 是疏水性的，因此 P:P 聚合物链的外部将带负电荷。利用这些特性实现带正电荷的纳米乳剂 （QCSNE） 微球的可控递送。
值得一提的是，与其他递送系统不同，该研究方法灵活且普遍适用，不受特定材料或客体分子的限制。在低电压下可逆调节氢键相互作用力可以在导电水凝胶中实现受控的孔径调节，同时与静电排斥协同作用，以进一步加速和控制客体分子的递送，包括药物（如 DOX）和荧光探针（如 RB）。另外，在智能应用方面，该研究还展示了一种基于此导电水凝胶构建的电控装置，能够进行“时间锚定”的信息编码与访问。这一机制完全基于物理过程，不涉及传统的氧化还原反应，极大提高了其安全性和重复使用的潜力。
来源：上海科技报
链接：上海理工铋科学研究中心与复旦团队联合开发智能水凝胶系统
