用于生物医学领域的动态硼砂交联透明抗冻黄蓍胶-甘油水凝胶

《Biomaterials Advances》：Dynamic borax-crosslinked transparent and antifreezing tragacanth gum-glycerol hydrogel for biomedical use

高效多功能水凝胶材料开发及其在生物医学中的应用研究，通过甘油和硼砂与tragacanth gum的三维动态交联网络制备，实现了480%拉伸率、300%肿胀比、高透明度（132%）及2324 g?2 day?1的透气性，并具备优异自愈性和生物相容性，适用于电子皮肤、伤口敷料和可穿戴设备。

　　在现代生物医学工程领域，多功能水凝胶因其独特的物理和化学特性，正在成为一种极具潜力的材料。这类水凝胶通常具备可拉伸性、粘附性、自修复能力和透明度，因此在电子皮肤、伤口敷料和可穿戴设备等应用中展现出广阔前景。随着人们对生物相容性和可持续性材料需求的增加，研究者们不断探索如何通过合理的材料设计和交联策略，提升水凝胶的综合性能。本文所研究的 tragacanth gum (TG) - glycerol (G) - borax (B) 水凝胶，正是在这一背景下被提出的一种新型多功能材料，其性能优势在多个方面得到了充分验证。

TG 是一种天然的多糖类物质，来源于 Astragalus 植物的分泌物。它具有良好的水溶性、生物相容性以及抗菌性能，这些特性使其成为开发生物医学材料的理想选择。然而，TG 在实际应用中也面临一些挑战，例如其较低的水溶性以及在形成水凝胶时的稳定性不足。为了解决这些问题，研究者们常常将 TG 与其他材料进行复合，如合成聚合物、纳米颗粒或其他天然多糖，以期获得更稳定的结构和更优越的功能。本文提出了一种通过 TG、甘油和硼砂构建的三维动态交联网络水凝胶，该水凝胶在多个方面表现出显著的性能优势。

硼砂作为交联剂在水凝胶的制备中发挥着关键作用。它能够与 TG 中的羟基形成动态的硼酸酯键，从而构建出具有自修复能力的三维网络结构。这种交联机制不仅提升了水凝胶的机械强度，还赋予其良好的结构稳定性。此外，硼砂的引入还促进了水凝胶的透明度提升，这在许多生物医学应用中是至关重要的特性。例如，电子皮肤和可穿戴传感器通常需要高透明度的材料，以便于集成光学元件或进行实时监测。因此，通过优化硼砂的浓度，研究者成功地实现了水凝胶透明度的显著提高。

甘油则作为塑化剂和防冻剂被引入水凝胶体系中，以改善其机械性能和环境适应性。甘油的加入不仅增强了水凝胶的柔韧性和可拉伸性，还提高了其在低温环境下的稳定性。这一特性对于开发适用于寒冷环境的医疗产品尤为重要，例如在极地或高海拔地区的伤口敷料或可穿戴设备。此外，甘油的保湿作用也有助于维持水凝胶的高含水量，这对于模拟人体组织的环境、促进细胞生长和药物释放具有重要意义。

在实验过程中，研究者通过精确控制 TG、甘油和硼砂的比例，制备出一系列 TG-G-B 水凝胶薄膜。其中，含有 6% 硼砂的 TG-G-B6 水凝胶表现出了最佳的综合性能。其机械性能方面，TG-G-B6 水凝胶表现出极高的拉伸性，可拉伸至原始长度的 480%，并且具有良好的回弹能力。这种高拉伸性使其能够适应人体皮肤的动态变化，特别是在可穿戴设备和电子皮肤等应用中，材料的柔韧性和适应性是不可或缺的。同时，水凝胶的吸水率也达到 300%，显示出极强的吸水能力，这对于维持湿润的伤口环境、促进细胞迁移和组织再生具有重要作用。

除了机械性能，TG-G-B 水凝胶还展现出优异的自修复能力。这种能力来源于其动态交联结构，当水凝胶受到损伤时，能够通过重新形成分子间键合，迅速恢复其原有的结构和功能。这一特性在生物医学领域尤为重要，因为伤口敷料和传感器等设备在使用过程中难免会受到外界因素的影响，而自修复能力可以有效延长材料的使用寿命，降低更换频率，从而提高其在临床应用中的可行性。

在透明度方面，研究者通过调节硼砂的浓度，发现随着硼砂含量的增加，水凝胶的透明度也随之提高。在最佳配比下，水凝胶的透明度达到 91.35% ± 2.1%，这一数值远高于传统水凝胶的透明度水平。高透明度不仅有助于提高材料的美观性，还能增强其在光学传感器和电子皮肤中的应用潜力，例如用于监测皮肤表面的温度、湿度或应变等参数。

此外，TG-G-B 水凝胶还表现出良好的水蒸气透过率，约为 2324 g·m?2·day?1。这一特性对于伤口愈合和生物医学应用至关重要，因为它能够确保水凝胶内部保持适当的湿度，同时允许氧气和水分的自由交换。这种透气性有助于减少细菌感染的风险，促进细胞代谢和组织修复，从而提高材料的生物相容性和临床适用性。

为了验证 TG-G-B 水凝胶的生物相容性，研究者进行了 MTT 实验，结果显示该水凝胶对 L929 成纤维细胞没有细胞毒性，表明其在生物医学应用中具有良好的安全性。这一发现进一步支持了其在伤口敷料、生物传感器和可穿戴设备中的应用前景。

在实际应用中，TG-G-B 水凝胶展现出了多方面的优势。首先，其可拉伸性和自修复能力使其能够适应复杂的生物界面，例如人体皮肤的弯曲和伸缩。其次，其高透明度和良好的水蒸气透过率使其在光学传感和生物监测方面具有独特的应用价值。再者，其生物相容性和抗菌性能使其在伤口管理中表现出色，能够有效促进伤口愈合，减少感染风险。最后，其在低温下的稳定性和高含水量使其适用于极端环境下的医疗设备，如寒冷地区的可穿戴传感器或长期使用的伤口敷料。

综上所述，TG-G-B 水凝胶是一种具有多重功能的新型生物医学材料。它不仅在机械性能上表现出色，还具备良好的自修复能力、透明度、透气性和生物相容性。这些特性使其成为电子皮肤、伤口敷料和可穿戴健康监测设备等应用的理想选择。随着对多功能材料需求的不断增长，TG-G-B 水凝胶的开发和应用将为生物医学工程领域带来新的突破。未来的研究可以进一步探索其在更广泛生物医学场景中的应用潜力，例如在组织工程、药物输送和智能医疗设备中的集成使用。同时，也可以通过优化材料配方和加工工艺，提升其性能并降低生产成本，从而推动其在实际医疗场景中的大规模应用。