多重动态交联胶原基有机凝胶离子皮肤：集成自修复、粘附、抗冻与抗菌性能的多模态传感监测

推荐：研究人员针对传统导电水凝胶环境适应性差、功能单一等问题，受皮革鞣制启发，通过Zr4+、黑荆树皮单宁（BWT）与胶原的多重动态交联（金属配位/氢键/疏水作用），开发出兼具自修复（效率83.2%）、高粘附（羊皮剪切应力26.5 kPa）、抗冻（-20℃）、抗菌（AgNPs）的PCZBG有机凝胶离子皮肤，其应变/温度/生物电多模态传感性能优异，为胶原高值化利用和下一代柔性电子器件提供新策略。

　　

在智能电子技术蓬勃发展的今天，能够模拟人类皮肤感知压力、温度等外界刺激的柔性离子皮肤，已成为医疗健康监测、人机交互等领域的研究热点。然而，现有材料面临两大困境：一是传统合成材料（如聚二甲基硅氧烷）生物相容性差，长期接触易引发皮肤炎症；二是主流导电水凝胶在低温下易冻结、干燥环境中失水，导致信号失真。更棘手的是，单一功能的水凝胶难以同时满足自修复、环境适应、抗菌等实际应用需求。胶原作为天然细胞外基质的主要成分，虽具有优异的生物相容性，却因机械性能差、溶解性低等问题，鲜少被用于离子导电器件。如何通过绿色方法赋予胶原基材料多功能集成特性，成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，内江师范学院的研究团队从传统皮革鞣制工艺中获得灵感，创新性地开发出基于胶原的多功能有机凝胶离子皮肤PCZBG。该成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上，通过Zr⁴⁺（金属鞣剂）、黑荆树皮单宁BWT（植物鞣剂）与丙烯酸（AA）的多重动态交联网络，结合甘油（Gly）和银纳米颗粒（AgNPs）的协同作用，实现了材料力学性能、环境稳定性和生物活性的平衡。研究采用一锅法热聚合技术，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电镜（SEM）验证材料结构，并系统测试了其机械性能、自修复效率、粘附强度及抗菌活性。

研究结果

1. 材料设计与表征：胶原在AA溶液中溶解后，与BWT、Zr⁴⁺形成动态交联网络，FTIR证实了-COO^-与Zr⁴⁺的配位作用，XPS显示AgNPs的成功负载。
2. 机械与自修复性能：动态交联使材料拉伸强度达121 kPa，室温自修复效率83.2%，归因于可逆金属配位和氢键重建。
3. 环境适应性：Gly通过氢键抑制冰晶形成，使材料在-20℃保持柔性，AgNPs与Gly协同实现长效保湿（7天失水率<15%）。
4. 生物功能：对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率>90%，细胞存活率超95%，羊皮粘附强度26.5 kPa，满足穿戴需求。
5. 多模态传感：应变传感灵敏度（GF=2.14@200%应变）、温度响应线性度（R²=0.992）、生物电信号采集稳定性（ECG波形清晰）均表现优异。

结论与意义
该研究通过仿生策略将传统鞣制化学与现代材料科学结合，首次实现胶原基离子皮肤的多功能集成。动态交联网络设计不仅解决了胶原机械性能差的固有缺陷，还赋予材料环境耐受性（抗冻/保湿）和生物活性（抗菌/细胞相容）。作为多模态传感器，其应变-温度-生物电同步监测能力为可穿戴医疗设备开发提供了新思路。更重要的是，该工作开辟了胶原高值化利用的新途径，为生物质资源在柔性电子领域的应用树立了典范。未来通过优化交联密度和导电网络，有望进一步推动该类材料在智能假肢、远程医疗等场景的实用化进程。