钙为丝质水凝胶赋予了高级功能，从而推动了生物制造和生物医学创新的发展

《Advanced Functional Materials》：Calcium Imparts Advanced Functionalities to Silk Hydrogels for Biofabrication and Biomedical Innovation

本文提出了一种通过添加钙离子（Ca2?）快速增强丝心蛋白水凝胶性能的方法。利用Ru/SPS光引发系统，Ca2?修饰的水凝胶在保持高透明度和机械强度的同时，显著提升了可拉伸性、抗收缩能力和3D打印兼容性。该材料在室温下长期稳定，适用于生物可吸收敷料、湿度响应器件和复杂模块化结构制造，并展示了优异的热扩散性和电导率特性，为组织工程和可穿戴设备提供新平台。

　　### 光交联蚕丝水凝胶的生物医学应用潜力

光交联蚕丝水凝胶作为一种多功能材料平台，因其弹性、生物相容性以及与先进制造技术的兼容性而受到广泛关注。这类水凝胶在生物医学领域的应用潜力主要体现在其独特的物理化学性质和可调的结构特性上。通过将钙离子（Ca2?）引入蚕丝溶液中，研究者开发出一种快速、可扩展的策略，显著提升了二酪氨酸（di-tyrosine）的光交联效率。该方法灵感来源于自然蚕丝纺丝过程中钙离子的作用，通过可见光引发体系，钙离子补充的水凝胶表现出更高的透明度、可拉伸性和韧性，这使其能够支持高保真度的数字光处理和体积打印技术。此外，这些蚕丝墨水在常温下具有优异的稳定性，能够实现按需制造，无需冷链运输，极大地简化了其在实际应用中的操作流程。

在传统制造方法中，蚕丝材料通常需要化学修饰或与其他材料混合才能实现3D打印，这不仅增加了材料成本，还可能引入不必要的化学残留。而钙离子的引入则为这一问题提供了一种新的解决方案。钙离子通过形成离子桥接，有效抑制了二酪氨酸交联过程中β-折叠结构的形成，从而减少了水凝胶在交联过程中的收缩现象。这种抑制作用使得水凝胶在打印后能够保持其原始尺寸，同时表现出优异的机械性能，包括高延展性、高韧性以及良好的弹性恢复能力。这些特性不仅增强了水凝胶的物理性能，还为构建复杂的多层和多区域结构提供了可能。

此外，钙离子的引入还赋予了水凝胶湿度响应性和粘附性，使其在多种环境中表现出不同的行为。在低湿度条件下，水凝胶表现出较强的粘附能力，而在高湿度条件下，其机械性能和粘附能力则有所下降。这种湿度响应性使得水凝胶可以作为4D材料，即在外界环境变化时发生可逆的形态变化。例如，当水凝胶置于低湿度环境中时，其直径会减小，而在高湿度环境中则会恢复。这种特性在生物医学应用中具有重要意义，可以用于开发能够根据环境变化自动调整结构的智能材料，如可适应组织环境的支架、湿度感应传感器以及可适应体表环境的柔性电子设备。

### 钙离子在光交联过程中的作用机制

钙离子在光交联过程中的作用机制主要涉及其与蚕丝分子的相互作用。通过引入钙离子，研究者发现其能够有效调节β-折叠结构的形成，从而提升水凝胶的机械性能。钙离子与丝氨酸、天冬氨酸和谷氨酸等氨基酸残基之间的离子桥接作用，降低了丝蛋白链之间的接近性和移动性，从而减缓了二酪氨酸交联的速率。这种调控作用使得水凝胶在光交联过程中能够保持其结构完整性，避免了因β-折叠结构过度形成而导致的机械性能下降。

在光交联过程中，Ca2?的存在还影响了水凝胶的热扩散性能。当水凝胶暴露于低温或高温环境时，其温度变化表现出显著的差异。例如，在低温条件下，Ca2?能够减缓水凝胶的冻结过程，使其在冻结后仍能保持较高的透明度和结构完整性。而在高温条件下，Ca2?能够加快水凝胶的解冻速率，使其在短时间内恢复至初始状态。这种热响应性使得水凝胶在烧伤治疗和可穿戴设备中具有广泛的应用前景。在烧伤治疗中，水凝胶可以用于局部冷却，减少热损伤并促进组织修复。而在可穿戴设备中，其高热扩散性有助于维持设备的恒温状态，提高用户舒适度。

### 多材料构建与模块化组装

钙离子补充的水凝胶不仅在单一材料体系中表现出优异的性能，还为多材料构建和模块化组装提供了新的可能性。通过将不同类型的蚕丝水凝胶（如β-折叠结构水凝胶、低延展性水凝胶和高延展性水凝胶）结合在一起，并利用汽蒸处理（autoclaving）实现永久性粘接，研究者成功构建了具有复杂结构和区域特性的水凝胶材料。这种多材料组装方式使得水凝胶能够模拟人体组织的复杂结构，从而在组织工程和再生医学中发挥重要作用。

此外，研究还发现，钙离子补充的水凝胶在不同湿度条件下表现出不同的粘附特性。在低湿度条件下，水凝胶能够与多种材料表面（如聚二甲基硅氧烷、铁和聚乳酸）形成稳定的粘附界面，而在高湿度条件下，其粘附能力则显著降低。这种粘附性的变化为水凝胶在生物医学中的应用提供了更多的选择，例如，可以在特定的环境中实现粘附或脱粘附，从而实现动态结构调控。同时，这种粘附性还与水凝胶的离子桥接作用有关，通过调控钙离子的浓度，可以进一步优化其粘附性能，以满足不同应用场景的需求。

### 水凝胶的电气性能与应用潜力

钙离子补充的水凝胶在电气性能方面也表现出显著的提升。研究发现，这些水凝胶具有较高的离子电导率，使其在生物电子接口和柔性电子设备中具有广阔的应用前景。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，水凝胶在不同频率下的电导率变化显示出离子迁移率和极化效应的重要性。在低频率下，水凝胶的阻抗较高，而在高频率下，其阻抗显著降低，表明其电导率具有频率依赖性。这种特性使得水凝胶能够适应不同类型的电子信号传输需求，为可穿戴传感器和生物电子设备的开发提供了基础。

为了直观展示水凝胶的电导率特性，研究者还利用LED灯进行测试。在相同的电压条件下，钙离子补充的水凝胶能够使LED灯发出更明亮的光，而普通蚕丝水凝胶则表现出较弱的导电性。这种电导率的差异表明，钙离子补充的水凝胶在生物电子接口和柔性电子设备中具有重要的应用价值。

### 水凝胶的长期稳定性与可打印性

钙离子补充的水凝胶在长期存储方面表现出优异的稳定性。研究显示，这些水凝胶在常温下可以保持至少两个月的液态状态，无需冷链运输，从而降低了其在生物医学应用中的存储和运输成本。这种稳定性不仅适用于简单的结构打印，还适用于复杂的多层和多区域构建。通过数字光处理（DLP）和体积打印技术，研究者成功打印了多种复杂结构，如环形结构、空心立方体和人体心脏模型。这些结构在打印后仍能保持较高的保真度，表明钙离子补充的水凝胶在打印过程中能够保持其形态稳定性。

此外，钙离子补充的水凝胶在存储后仍能保持其机械性能。例如，即使经过九个月的常温存储，其压缩强度和延展性与新鲜制备的水凝胶相比几乎没有显著差异。这种长期稳定性为水凝胶在生物医学中的应用提供了极大的便利，尤其是在需要长期存储和运输的场景中，如医疗设备的批量生产或远程医疗应用。

### 生物相容性与体内反应

为了验证钙离子补充的水凝胶在体内的安全性，研究者将其植入小鼠皮下，并观察其对组织的影响。结果显示，这些水凝胶在小鼠体内表现出良好的生物相容性，未引发明显的炎症反应或组织损伤。在植入四周后，水凝胶与周围组织之间形成了良好的整合，且未观察到明显的排异反应。这一发现表明，钙离子补充的水凝胶不仅在体外具有优异的性能，而且在体内也能保持其结构稳定性和生物相容性。

此外，研究还发现，钙离子补充的水凝胶在体内表现出一定的降解行为。与普通蚕丝水凝胶相比，其降解速率更快，这可能与其较低的β-折叠含量和较高的离子桥接结构有关。这种降解特性为水凝胶在组织工程中的应用提供了更多的可能性，例如，可以用于开发可降解的生物支架，从而在组织修复完成后逐渐降解，减少二次手术的需求。

### 热扩散性与烧伤治疗应用

钙离子补充的水凝胶在热扩散性方面表现出优异的性能，使其在烧伤治疗中具有重要的应用价值。研究发现，这些水凝胶在高温条件下能够迅速吸收热量，从而降低局部温度，减少热损伤。例如，当水凝胶直接应用于60°C的热表面时，其能够在短时间内将温度降至生理水平（37–38°C），从而有效缓解烧伤带来的疼痛并促进组织修复。此外，水凝胶在低温条件下也表现出良好的冷却能力，其在暴露于阳光下30分钟后，其表面温度比未处理的区域低约5°C，表明其具有良好的被动冷却性能。

这种热响应性不仅适用于烧伤治疗，还可以用于其他需要热管理的生物医学应用。例如，在可穿戴设备中，水凝胶可以作为热吸收材料，吸收设备产生的多余热量，从而保持用户的皮肤健康和舒适。此外，水凝胶的热扩散性能还可能用于开发智能材料，如能够根据环境温度变化自动调节结构的材料。

### 未来发展方向与应用前景

钙离子补充的水凝胶作为一种多功能材料平台，具有广泛的应用前景。其在光交联、热扩散性和电导率等方面的优异性能，使其能够满足多种生物医学需求，包括组织工程、伤口修复和可穿戴技术。未来的研究可以进一步探索钙离子释放速率的调控，以优化其在伤口修复中的作用。此外，通过进一步研究其在不同环境条件下的行为，可以开发出更多适应性强的智能材料。

在组织工程领域，钙离子补充的水凝胶可以用于构建具有复杂结构和功能分区的支架，以模拟人体组织的微环境。在伤口修复方面，其湿度响应性和生物相容性可以用于开发能够根据环境变化自动调整形态的智能敷料。而在可穿戴技术中，其高热扩散性和电导率可以用于开发具有温度调节和电子信号传输功能的柔性设备。

总之，钙离子补充的水凝胶作为一种新型的生物材料，具有广阔的应用前景。其在光交联、热响应性和电导率等方面的优异性能，使其能够满足多种生物医学需求。未来的研究将进一步探索其在不同环境条件下的行为，以开发更加智能化和功能化的材料，推动生物医学技术的发展。