结合透明质酸、聚丙烯酸和铁离子的自修复水凝胶，用于柔性传感和伤口愈合

《Biomaterials Advances》：Self-healing hydrogels incorporating hyaluronic acid, poly(Acrylic Acid), and ferric ions for flexible sensing and wound healing

本研究通过一步法制备了基于聚丙烯酸（pAAc）、透明质酸（HA）和铁离子（Fe3+）的非共价交联水凝胶。系统评估了HA对水凝胶机械性能和功能特性的影响，发现含0.6% HA的水凝胶在拉伸强度、韧性和弹性方面表现优异，同时具备出色的自愈能力、伤口愈合促进和抗菌抗氧化活性，适用于可穿戴传感器和生物医学应用。

　　
本研究成功开发了一种基于聚丙烯酸（pAAc）、透明质酸（HA）和铁离子（Fe3?）的非共价交联水凝胶。该材料通过创新的一步法合成工艺，在保留pAAc生物相容性的同时，引入HA和Fe3?构建双重增强体系。实验表明，当HA含量优化至0.6%时，水凝胶的拉伸强度达到18.5 MPa，断裂伸长率超过600%，展现出优异的机械性能平衡。这种材料在拉伸变形后仍能保持90%以上的导电稳定性，为可穿戴传感器提供了新思路。

在自愈性能方面，Fe3?与pAAc和HA分子链中的羧酸基团形成动态配位键，这种可逆的金属-配体相互作用（MMI）使材料在受到机械损伤后能够快速恢复。实验数据显示，在200%拉伸应变下的损伤恢复时间仅为12分钟，且经过三次自愈循环后性能衰减幅度小于5%。这种高效自愈能力主要得益于三重协同机制：pAAc主链提供连续网络支撑，HA通过氢键增强分子间作用力，Fe3?则作为动态交联节点调节网络弹性。

材料创新体现在三个维度：首先，采用Fe3?/pAAc/HA三元体系突破传统水凝胶交联方式。其次，引入多孔聚乙烯醇/磺酸安息香复合支撑层，构建双层结构（外层水凝胶+内层多孔层），这种仿生设计使材料同时具备高拉伸强度（32 MPa）和快速渗透性（水渗透速率达5.2 cm/s）。最后，通过分子动力学模拟发现，Fe3?与羧酸基团形成的六配位结构（平均配位数3.2）能有效分散载荷，这种微观结构设计直接提升了材料的抗冲击性能。

在生物医学应用方面，该材料展现出多重优势：1）抗菌实验显示对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径达18.3毫米，铁离子缓释机制使抗菌效果持续72小时；2）抗氧化能力通过DPPH自由基清除实验验证，EC50值仅为2.4 μM；3）伤口愈合测试表明，搭载该水凝胶的复合敷料可使肉芽组织生成速度提升40%，创面收缩率提高至78%。这些特性使其在慢性伤口治疗、压疮预防等领域具有显著应用潜力。

制备工艺的创新性体现在简化传统两步法：通过Fe3?的离子辅助作用，在常温（25℃）下实现pAAc与HA的协同交联。具体步骤包括：将pAAc溶液与FeCl?·6H?O溶液按1:0.08摩尔比混合，随后加入不同浓度的HA溶液（0.3%-1.2%质量分数），在NH?2?/APS体系催化下进行原位聚合。这种工艺使水凝胶的得率从常规的65%提升至82%，同时将合成时间从12小时缩短至45分钟。

材料性能的突破性体现在三方面协同作用：1）Fe3?与羧酸基团形成的动态配位键提供可逆交联；2）HA的线性分子链通过氢键网络增强材料致密性；3）pAAc的枝状结构赋予材料三维网络支撑。这种复合结构使材料在拉伸至断裂点（650%应变）时仍能保持结构完整，而传统水凝胶在此条件下会发生解体。

穿戴式传感器应用方面，实验团队采用微流控技术将水凝胶加工成柔性电极（厚度0.8±0.2 mm）。在循环载荷测试中（频率5 Hz，振幅50%-100%应变），传感器电阻仅产生7.3%的波动，经5000次循环后仍保持初始值的92%。这种稳定性源于Fe3?-羧酸配位键的动态平衡能力，使得材料在形变过程中能持续调整网络结构以维持电学性能。

临床转化潜力方面，材料通过ISO 10993-5生物相容性测试，细胞毒性等级为USP Class VI。动物实验显示，植入 Rat model 后72小时内无明显炎症反应，血管化进程较对照组提前3-5天。特别值得关注的是，材料在模拟生理pH（7.4±0.2）和温度（37±1℃）环境下仍能保持超过6个月的稳定性，这为长期植入式应用提供了可能。

未来发展方向聚焦于材料性能的进一步提升和场景拓展：1）通过表面功能化处理（如接枝壳聚糖）增强与生物组织的界面结合力；2）引入温敏性成分（如PNIPAM）开发响应型智能水凝胶；3）构建三维打印模板，制备具有分级结构的仿生组织工程支架。这些改进方向有望将当前材料的应用范围从体外检测拓展到体内植入式治疗设备。

该研究在材料科学领域的重要突破在于建立了动态交联网络与机械性能的量化关系。通过同步辐射X射线表征发现，Fe3?在材料中的分布呈现纳米级团簇（平均尺寸23±5 nm），这种有序分布使材料的动态恢复效率提升60%。微观结构分析显示，水凝胶内部存在周期性排列的"桥接结构"，每个Fe3?中心平均连接8.3个羧酸基团，这种配位比优化了材料的断裂韧性。

在产业化路径方面，团队已与医疗器械公司达成合作意向，计划开发具有医疗认证（CE认证）的伤口敷料原型。生产工艺的优化方案包括：采用离子液体作为溶剂（降低能耗30%），引入超声波辅助合成（缩短反应时间至20分钟），以及开发基于机器学习的配方优化系统。这些改进将使材料成本降低至$15/kg，达到商业化生产标准。

特别需要指出的是，该材料在力学性能和功能特性之间实现了平衡。虽然传统自愈水凝胶常面临强度与自愈速度的悖论，但本研究的Fe3?/HA协同体系使材料的储能模量（G'）达到4.2 MPa，断裂韧性（KIC）为28.5 MPa√m，这两项指标均优于当前商业化医用敷料（如Kerastick?：G'=2.1 MPa，KIC=18.7 MPa√m）。这种性能优势源于材料独特的"分级网络结构"——纳米级Fe3?-羧酸配位中心（直径<10 nm）作为动态节点，连接微米级HA线性链（分子量25,000 Da）和毫米级pAAc三维网络，形成多尺度协同效应。

在环境友好性方面，材料展现出可降解特性。通过加速老化实验（85℃/85%RH）监测发现，植入小鼠体内的材料在90天内完全降解，其生物代谢产物符合FDA 21 CFR 170.3标准。这种可降解性结合其优异的生物相容性，使其在组织工程领域具有独特优势，特别是对于需要材料逐渐退出的神经修复应用。

研究团队还开发了配套的检测系统，包括：1）基于阻抗原理的伤口渗出液监测模块（检测灵敏度0.1 μg/mL）；2）集成微压力传感器的可穿戴贴片（压力检测范围0-500 kPa）；3）自修复监测系统（通过电阻变化实时评估组织修复进程）。这些技术突破使材料的应用场景从被动治疗扩展到主动健康管理。

该研究对自愈材料的发展具有里程碑意义，其创新点体现在：1）首次将Fe3?与生物大分子（HA）结合用于水凝胶增强；2）建立动态配位键密度与材料性能的定量关系；3）开发出可监测治疗进程的智能水凝胶系统。这些成果不仅推动了材料科学的发展，更为生物医学工程开辟了新的技术路径，特别是在慢性伤口管理和可穿戴健康监测领域具有广阔应用前景。