可植入式器件装备（如可植入式传感器、可植入式执行器等）是实现人机界面交互和智能生物医学工程的重要保障和技术前提，已成为多个学科领域科学研究的前沿热点。但生物体内场景的复杂性对可植入式器件提出了极为苛刻的要求：要同时具备一定的机械强度、高度的生物相容性和良好的运维指标等。为此，作为兼具这几种特性的功能材料，水凝胶被广泛用来研究构筑各种可植入式器件装备。但当前主流的高分子交联水凝胶（1）机械强度难以精准和大范围调控，（2）尽管具有一定的生物相容性，但可降解性无法实现；因此大大制约了可植入式器件的发展和实际应用。相比之下，基于生物有机分子（如肽、氨基酸、DNA等）自组装构筑的超分子水凝胶有望在形性上同时满足制造可植入式器件的需求。尤其是通过精确调控分子间作用力，生物有机分子自组装结构可被精准操控，从而实现形性可编程式超分子水凝胶的设计构筑，有望设计制造理想的可植入式器件。鉴于此，浙江大学机械工程学院陶凯研究员通过与浙江大学航空航天学院潘定一教授、修鹏副教授等合作者组建了一支多学科交叉研究团队，通过精确控制分子间驱动力，实现了短肽自组装在纳米纤维—纳米螺旋—纳米带之间的精细转化，从而精准调控超分子水凝胶的宏观机械性能。利用分子制造技术，采用单一短肽自组装体系即可开发出可植入式触觉传感器的基底构件和敏感单元等，首次实现了利用生物有机自组装超分子水凝胶设计构筑可植入式触觉敏感元件，从而为无副作用的人机界面交互和智能生物医学工程的实现提供了新的选择（图1）。相关成果以“Bioinspired Flexible Hydrogelation with Programmable Properties for Tactile Sensing”为题发表在国际权威学术期刊Advanced Materials (IF = 27.4)上；我所修鹏副教授为论文共同通讯作者，我所硕士生孙吴雪鹏、博士生吴凯为该论文的分子模拟工作做出了重要贡献。
本文以被广泛研究的自组装短肽——Fmoc-FF为例，其自组装纳米纤维基水凝胶储能模量约为40.5 ± 10.9 kPa，远不足以担任基底材料支撑器件结构。为了提高其机械性能，本文在短肽自组装过程中引入乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）作为辅助剂，通过增加短肽—溶剂分子间的相互作用力，精确控制自组装结构扭曲力与结合力之间的力学平衡，首次实现了Fmoc-FF自组装纳米纤维转变成纳米螺旋，并进一步展开成纳米带结构。通过实验表征和分子动力学模拟相结合，论文详细探究了PEGDA对Fmoc-FF自组装影响的分子机制和作用规律（图2）。
图2 PEGDA调控Fmoc-FF自组装
形貌决定性能，并影响材料的整体特性及器件的最终表现。研究发现，自组装纳米带基超分子水凝胶的储能模量高达438.1 ± 53.6 kPa——可媲美人类组织/器官的机械强度。采用介观耗散粒子动力学方法进行流体力学模拟表明：与纳米纤维基水凝胶相比，基于较宽纳米带的超分子水凝胶具有更大的复响应函数实部，致使体系产生更高的储能模量和机械强度。
因此，分别利用短肽自组装纳米带和纳米纤维（与导电高分子PEDOT:PSS共组装）基超分子水凝胶设计制造基底和敏感单元部件，可以制备出肽自组装基触觉感知器件。性能标定测试实验表明：该短肽自组装基触觉传感器具有适当的灵敏度、快速的动态响应、可变振幅/频率的高分辨率以及可靠的稳定性，从而可作为传统高分子聚合物基触觉感知器件的替代品用于可穿戴设备和人机接口应用，如运动检测和健康监测等。
生物有机自组装体系的一大优势是优良的生物相容性。通过将短肽自组装超分子水凝胶植入到实验大鼠皮下部位，显示出较弱的免疫反应、松散的纤维化包封以及较低的胶原密度，并且没有发现巨噬细胞浸润或异物巨细胞等；并且在植入7天后水凝胶完全降解消失；因此显示出优良的生物相容性和体内可降解性。利用上述编程制备的短肽自组装超分子水凝胶基触觉传感器不仅可以用作仿生电子皮肤，更能植入到体内进行原位、实时的传感检测；并且可以随着病灶的恢复而自行降解，无需二次手术取出，从而有望减轻病患的负担。这一成果将为生物电子学在人机接口和智能生物医学工程等领域中的应用提供新的思路。
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