《International Journal of Biological Macromolecules》：Light-based vat-polymerization of electroconductive gelatin methacryloyl composite hydrogels for soft tissue interfacing
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导电水凝胶通过结合组织样的机械顺应性和电导率，已成为有前景的软组织接口材料，从而能够改善与电活性生物组织的电通信。本研究提出了一种通过基于光的光固化聚合制备的导电复合水凝胶，该水凝胶通过将胆碱基生物离子液体（IL）与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）整合而成。所得
导电水凝胶通过结合组织样的机械顺应性和电导率，已成为有前景的软组织接口材料，从而能够改善与电活性生物组织的电通信。本研究提出了一种通过基于光的光固化聚合制备的导电复合水凝胶，该水凝胶通过将胆碱基生物离子液体（IL）与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）整合而成。所得水凝胶在使用数字光处理（DLP）光基3D打印时表现出可调的电导率、结构完整性和高打印保真度。电导率在20% v/v IL浓度下得到优化，水凝胶在超过28天内表现出稳定的性能。研究人员将一种食品级光吸收剂整合到配方中以改善DLP分辨率，并在打印后有效去除。该水凝胶支持人骨髓间充质干细胞的活力和增殖，证实了其细胞相容性。它们还促进了原代神经元的成熟，展示了对神经细胞的支持性微环境。负载吲哚菁绿的水凝胶的体内植入表现出持续的稳定性和超过4周的强信号保留，组织学分析表明与周围组织无缝整合。在肠道和脊髓接口处的阻抗谱分析表明，GelMA/IL复合材料在一系列频率上实现了最低的阻抗，优于仅GelMA和仅组织条件。总之，这些发现将基于光的光固化聚合导电复合材料定位为开发定制用于软组织接口的解剖学顺应材料的有前景平台。
**研究背景、问题与意义**
水凝胶因其与天然细胞外基质（ECM）的结构相似性、优异的生物相容性以及可调的机械和生化性能，在支持细胞黏附、增殖和组织再生方面具有显著优势。然而，天然来源水凝胶通常缺乏电导率，限制了其在电活性组织（如神经、心脏、骨骼肌及胃肠道等依赖电信号传导的组织）中的应用。现有导电填料（如聚苯胺PANI、聚吡咯PPY、聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐PEDOT:PSS及金属纳米颗粒）虽能赋予水凝胶导电性，但存在生物降解性差、透明度低、机械脆性及酸性环境等问题，导致长期植入稳定性不足。离子液体（IL）因其优异的热稳定性、高离子电导率、低蒸气压和可调结构，成为生物材料中导电组分的理想候选。特别是胆碱基生物离子液体（Bio-IL），因其低毒性、生物相容性和生物降解性，在神经功能调节中具有独特优势。现有研究将胆碱基IL与明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）或聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）结合，但多采用高聚合物浓度（>10%）或添加丙烯酸，可能引发酸性微环境，损害生物相容性。本研究旨在开发一种低浓度GelMA（5% w/v）与胆碱基IL复合的导电水凝胶，通过光固化聚合实现可调导电性、机械顺应性和可打印性，以满足软组织接口对材料柔软、导电、可生物降解和可打印的综合需求。该工作发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。
**研究开展与结论**
研究人员制备了5% w/v GelMA与不同浓度胆碱基IL（0–20% v/v）的复合水凝胶，通过光交联和数字光处理（DLP）3D打印构建复杂结构。优化后的5% GelMA/20% IL水凝胶在电导率（32.5 mS/cm，较纯GelMA提高605%）、长期稳定性（28天保持19.2 mS/cm）、流变性能（剪切稀化、快速恢复）和DLP打印精度（添加食品级光吸收剂柠檬黄提升分辨率）方面表现优异。该水凝胶支持人骨髓间充质干细胞（hMSCs）的活力（>90%）和增殖，并促进原代海马神经元成熟，表现为βIII-微管蛋白荧光强度增加和胶质细胞密度升高。体内皮下植入负载吲哚菁绿（ICG）的水凝胶后，4周内荧光信号持续稳定，组织学分析（H&E和Masson三色染色）显示植入物与周围组织整合良好，无明显坏死，仅出现轻微纤维囊形成。阻抗谱测量表明，在脊髓和肠道界面，GelMA/IL水凝胶在0–10000 Hz范围内均实现最低阻抗，显著优于纯GelMA和仅组织条件。结论：该光固化聚合导电复合水凝胶可作为定制解剖学顺应材料的有前景平台，用于软组织接口，实现低阻抗电通信和减少异物反应。
**关键技术方法**
主要技术方法包括：1）数字光处理（DLP）3D打印，用于光固化聚合构建复杂结构；2）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学组成；3）扫描电子显微镜（SEM）观察孔隙形态；4）四探针电导率测试评估电性能；5）动态力学分析（流变学）表征剪切稀化及交联动力学；6）压缩测试测定机械模量；7）胶原酶降解实验评估生物降解性；8）LIVE/DEAD和AlamarBlue法评估hMSCs活力和增殖；9）免疫荧光染色定量βIII-微管蛋白和GFAP表达；10）IVIS Spectrum成像系统进行体内荧光追踪；11）H&E和Masson三色染色进行组织学分析；12）阻抗谱（LCR仪）测量组织-材料界面电性能。样本来源：人骨髓间充质干细胞由Sharjah大学Amir Ali Khan教授提供；原代海马神经元取自新生小鼠（P0–P1）；体内实验使用成年雄性C57BL/6小鼠。
**研究结果**
1. **GelMA/IL溶液的配方表征**：FTIR光谱显示GelMA/IL水凝胶同时具有GelMA和IL的特征吸收峰，表明两者成功整合。
2. **电导率及稳定性**：四探针测试表明，5% GelMA/20% IL水凝胶在交联后电导率峰值达32.5 mS/cm，较纯GelMA提高605%；28天长期稳定性测试显示，电导率从第3天开始逐渐下降，但第28天仍保持19.2 mS/cm，与5% GelMA/10% IL的初始值相当。
3. **流变学表征**：所有配方表现剪切稀化行为（流动行为指数n<1），且添加IL提高了低剪切速率下的粘度（流动一致性指数K增加）；3-间隔触变性测试（3TT）显示快速恢复能力；光流变表明IL降低交联程度（存储模量G'下降）。
4. **形态学表征**：SEM图像显示多孔结构，平均孔径随IL浓度增加而增大，5% GelMA/20% IL达160.3±28.2 μm，比纯GelMA（132.8±21.6 μm）显著增大。
5. **机械与物理表征**：压缩模量从纯GelMA的2.76 kPa降至5% GelMA/20% IL的2.21 kPa，均低于10 kPa，符合软组织要求；酶降解实验显示5% GelMA/20% IL在48h内质量损失65.6%，高于纯GelMA的49.6%；透明度测试表明IL保持水凝胶透明性，手动弯曲实验显示可弯曲至180°并恢复。
6. **DLP可打印性**：添加0.25 mg/ml柠檬黄显著提高了星形、半月板和字母等复杂结构的打印精度，边缘清晰，打印后经洗涤可完全去除柠檬黄。
7. **细胞活力与增殖**：LIVE/DEAD染色显示hMSCs在所有组表面黏附良好，第7天活力均>90%；AlamarBlue分析表明从第1天到第7天细胞增殖显著增加。
8. **神经细胞密度与荧光强度**：免疫荧光定量显示，GelMA/IL与纯GelMA上βIII-微管蛋白阳性神经元密度无显著差异，但GFAP阳性胶质细胞密度在GelMA/IL上显著更高；βIII-微管蛋白荧光强度在GelMA/IL上增强，提示神经突生长增强。
9. **体内评估**：IVIS成像显示ICG负载的GelMA和GelMA/IL水凝胶在4周内均保持强荧光信号，信号强度比非ICG对照组高三个数量级；组织学（H&E和Masson三色）显示植入物周围组织形态良好，有轻微纤维囊形成和胶原沉积，但无严重坏死；阻抗测量表明，在脊髓和肠道界面，GelMA/IL水凝胶在0–10000 Hz频率范围内均实现最低阻抗，较纯GelMA和仅组织界面降低2倍以上（脊髓）或6-7倍（肠道，1 kHz）。
**讨论与结论**
讨论部分强调：电导率与IL浓度的关系符合Walden规则和粘度-迁移率关系，20% IL为最佳平衡点；长期导电性对生物电子应用至关重要，本研究首次追踪28天，虽因IL泄漏导致导电性下降，但仍保持在与初始10% IL相当的范围内；流变行为支持3D打印，但IL的碱性可能影响GelMA交联，需优化配方；多孔结构（>150 μm）促进细胞浸润，机械模量（<10 kPa）匹配软组织；降解速率增加源于IL诱导的聚合物不稳定和胆碱季铵基的催化水解；柠檬黄作为光吸收剂有效提升DLP打印精度；生物相容性实验证实hMSCs高活力和增殖，以及神经元成熟增强，提示胆碱基IL的磷脂前体作用；体内组织学显示整合良好，但需进一步定量评估纤维囊厚度；低阻抗界面是电通信的关键优势。结论翻译：本研究提出了一种基于GelMA和胆碱基IL的软导电水凝胶系统，专为软组织接口设计。优化后的GelMA/IL配方表现出增强的离子电导率、可调的机械和流变性能，以及通过DLP的优异可打印性。它支持hMSCs的高活力和增殖，促进原代神经元体外成熟，并在体内4周内显示良好的整合和持续信号保留。重要的是，该电导系统维持了与组织的低界面阻抗，这是生物电子接口的关键特征。总之，这些发现将优化后的GelMA/IL配方定位为生物制造定制形状、生物整合性接口的有力候选，该接口顺应周围组织结构，同时保持低界面阻抗，从而增强电通信并减少异物反应。
