基于β-环糊精的伪滑动环水凝胶：用于实时健康监测的多功能可穿戴传感器

作者及机构
本研究由美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学与生物分子工程系的Arpita Roy、Shea Zenker、Saumya Jain等团队完成，通讯作者为Nasim Annabi教授。研究成果发表于*Advanced Materials*期刊，2024年8月刊，DOI: 10.1002/adma.202404225。

学术背景
慢性疾病的早期诊断依赖于对非认知标志物（如运动功能障碍）的实时连续监测，但现有临床检测方法存在侵入性强、成本高、依赖专业设备等问题。柔性水凝胶传感器因其生物相容性和可穿戴性成为潜在解决方案，但传统水凝胶面临导电性低（10⁻⁵–10⁻¹ S cm⁻¹）、机械性能差、粘附力不足等挑战。本研究旨在开发一种兼具高拉伸性（~3000%）、导电性（~0.29 S m⁻¹）、组织粘附性（~27 kPa）和生物降解性的多功能水凝胶传感器，用于帕金森病（Parkinson’s disease, PD）等运动障碍的实时监测。

研究流程与方法
1. 水凝胶设计与合成
- 材料选择：以丙烯酰胺（AAM）提供机械强度，2-丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵（AETAC）作为生物离子液体（Bio-IL）增强导电性，β-环糊精（β-CD）通过主客体相互作用形成伪滑动环结构。
- 一锅法合成：通过自由基聚合将AAM和AETAC接枝到β-CD骨架上，无需化学交联剂，避免细胞毒性。通过核磁共振（¹H NMR）和紫外光谱（UV-Vis）验证了β-CD与AETAC的包合作用（峰值290 nm）。

1. 力学与粘附性能测试

   • 流变学分析：振幅扫描显示水凝胶的储能模量（G’）高于损耗模量（G”），3:1 AAM/AETAC比例的样品屈服应力最高（6.47±0.38 kPa）。
     
   • 拉伸与压缩测试：3:1比例的样品拉伸强度达109.7±13.3 kPa，断裂伸长率5443±610%；压缩模量为19.7±3.1 kPa。
     
   • 粘附性评估：通过搭接剪切试验（ASTM-F2255标准）测得1:3比例的粘附强度为38.4±0.6 kPa，优于商业粘合剂Evicel®（15–25 kPa）。
     

2. 电学与传感性能

   • 导电性：1:3比例的离子电导率达0.44±0.02 S m⁻¹，比石墨烯/聚丙烯酰胺水凝胶高5个数量级。
     
   • 压力响应：通过循环伏安法（CV）证实压缩应变增加时电流响应增强，灵敏度（Gauge Factor）在834%应变下为3.74。
     
   • 运动监测：传感器可区分手指弯曲角度（0°–90°）、手腕运动方向及书写轨迹（如字母“A”的重复信号一致性）。
     

3. 生物相容性与降解性

   • 体外实验：NIH/3T3细胞在水凝胶表面培养5天后存活率100%，活性氧（ROS）水平与对照组无差异。
     
   • 体内实验：大鼠皮下植入28天后，炎症反应轻微，降解率为40±3%，CD68染色显示巨噬细胞浸润较少。
     

主要结果与逻辑关联
- 伪滑动环结构通过β-CD的“滑轮效应”均匀分散应力，赋予水凝胶高拉伸性和自修复能力（96%稳定性经200次CV循环）。
- AETAC的季铵基团与组织羧基的偶极相互作用增强粘附性，同时提供导电通路。
- 3D打印性能允许定制化传感器设计，如UCLA标志的精确成型（图S4）。

结论与价值
该研究首创的β-CD-g-(PAAM/PAETAC)水凝胶解决了传统传感器的性能矛盾，其科学价值在于：
1. 方法学创新：通过超分子工程实现力学-电学性能解耦，避免金属填料的使用。
2. 应用潜力：成功监测PD患者的震颤和步态异常（图7），并具备UV屏蔽、被动降温（降温15°C）等实用功能。
3. 环保意义：生物可降解性减少电子废弃物（e-waste）。

研究亮点
1. 多功能集成：单一平台同时实现运动传感、手写识别和摩尔斯电码通信（图6）。
2. 性能平衡：拉伸性（3000%）与导电性（0.29 S m⁻¹）远超同类材料（如PEDOT:PSS水凝胶仅35%拉伸性）。
3. 临床验证：首次报道水凝胶传感器对PD运动症状的实时监测能力（图7b–h）。

其他价值
- 抗氧化活性：水凝胶清除DPPH自由基的EC50为1.53 mg mL⁻¹（图5i）。
- 环境稳定性：在pH 2–9和湿度50–80%条件下传感性能无衰减（图S1–S2）。

本研究为慢性病管理提供了非侵入性监测工具，并为下一代柔性电子器件设计树立了新范式。