从制备到功能:水-乙醇溶液中基于透明质酸的仿生水凝胶的电化学表征

《Food Hydrocolloids》:From fabrication to function: Electrochemical characterization of hyaluronic acid-based biomimetic hydrogels in aqueous ethanol

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月06日 来源:Food Hydrocolloids 13.8

编辑推荐:

   摘要口腔风味感知目前主要依赖于人类感官评价,而能够模拟口腔界面的人工感官系统仍然有限。尽管水凝胶作为柔性基底已被探索,但大多数被设计为被动基质或信号转换器。本研究突破了传统水凝胶传感器的局限,利用口腔中两种不可或缺的生理组分——透明质酸(HA)和黏蛋白——重建了一个化学相关的

  

摘要

口腔风味感知目前主要依赖于人类感官评价,而能够模拟口腔界面的人工感官系统仍然有限。尽管水凝胶作为柔性基底已被探索,但大多数被设计为被动基质或信号转换器。本研究突破了传统水凝胶传感器的局限,利用口腔中两种不可或缺的生理组分——透明质酸(HA)和黏蛋白——重建了一个化学相关的口腔仿生界面。受生物学启发,我们研究了一种兼具类舌特性与电化学响应性的仿生水凝胶,并将其应用于含水乙醇体系。我们证明,该水凝胶不仅充当结构模拟体,还作为一个动态电化学界面发挥作用。对其结构、流变性和生物安全性的全面表征证实了其作为仿生材料的适用性。电化学分析进一步表明,该水凝胶能够在含水乙醇环境中作为响应性界面运行。该水凝胶表现出类固体的黏弹性行为和良好的生物相容性,为人工感官系统相关研究提供了稳定可靠的柔性界面。总体而言,本研究建立了一种口腔启发的仿生水凝胶用于感知,推动了人工感官系统向基于界面生物物理机制而非单纯模式识别的方向发展。

引言

传统传感器中常用的刚性且以电子为主导的基底与生物界面本质上不匹配,这限制了其在生物传感和仿生系统中的应用(Abdella & Zayed, 2026; Sarkar, 2021)。相比之下,软材料具有内在的柔韧性、可拉伸性、柔软性、离子导电性和透明度等特性,使其在构建类人工感官界面等生物传感器方面具有特别的优势(Choi et al., 2025)。
在各类软材料中,水凝胶因其水合网络和可调的物理化学性质,已成为生物传感和人工感官研究中的多功能平台(Ross, 2021; Zhi et al., 2022)。近期的研究报告了人工舌在检测辣味(Deng et al., 2025)、涩味(Khan et al., 2022; Yeom et al., 2020)、苦味(Khan et al., 2022)、鲜味(Liu et al., 2023)以及咸味/酸味或甜味(Miao et al., 2024)方面的应用。这些进展凸显了通过基于水凝胶的系统模拟口腔感官响应所引发的日益增长的兴趣。然而,许多现有方法主要关注信号识别或模式分类(Lu et al., 2017),而软材料-电解质界面的电化学行为的作用仍然缺乏充分的探索。
透明质酸(HA)是一种在人体内广泛分布的天然多糖,具有黏弹性、保水能力和生物相容性等优良特性(Satchanska et al., 2024)。在水凝胶体系中,HA通常作为结构支架、多元醇来源和润滑剂发挥作用(Gu et al., 2026)。黏蛋白是口腔环境中另一种关键的生物大分子,已有研究表明其参与与风味感知相关的界面相互作用(Wang et al., 2026)。尽管它们具有重要的生物学相关性,但基于HA和黏蛋白共同衍生的水凝胶系统很少被系统性地探索为口腔仿生界面,尤其是在研究其在复杂液体环境中的电化学行为方面。
因此,我们假设由透明质酸和黏蛋白构建的水凝胶可以模拟舌界面的关键物理化学特性,并对溶剂组成的变化产生灵敏的电化学响应。本研究的创新之处在于构建了一种基于HA-黏蛋白的仿生水凝胶,将类舌柔软性与电化学响应性相结合,从而能够对含酒精水体系中的界面电化学行为进行研究。
在本研究中,以透明质酸和黏蛋白为主要组分制备了仿生水凝胶界面。系统地评估了该水凝胶的结构特征、流变性能和生物安全性,以验证其作为柔性仿生材料的适用性。此外,还进行了电化学分析以探索该水凝胶界面在含水乙醇环境中的响应行为。使用具有可控酒精浓度的乙醇-水体系作为模型电解质,研究水凝胶-电解质界面对溶剂组成的敏感性。本研究为软仿生界面的电化学行为提供了新的见解,并为开发基于水凝胶的人工感官系统提供了潜在的策略。

各部分摘录

试剂

透明质酸(HA,≥1.8 MDa)、黏蛋白(牛颌下腺来源)、1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BDDE)、乙醇(色谱纯)和NaOH(分析纯)购自阿拉丁生化科技有限公司(中国上海)。

水凝胶制备

称取适量的HA粉末,溶解于5 mL 1 wt% NaOH溶液中,使其浓度达到20 mg/mL,搅拌至完全溶解。取等体积所得溶液,分别加入不同浓度的黏蛋白

水凝胶的合成

透明质酸和黏蛋白均为口腔环境中不可或缺的组分,被选为设计水凝胶的主要构建单元(Yakubov et al., 2015)。旨在开发一种模拟舌特性的水凝胶,可应用于模拟口腔感知。实验中所建立的黏蛋白梯度是口腔环境中典型黏蛋白浓度的上下限范围(Wang et al., 2026)。透明质酸和黏蛋白已成功交联

结论

采用FT-IR、XRD和SEM分析表征了水凝胶的结构。通过振幅扫描和频率扫描测量表征了其流变性能。利用CCK-8检测进行细胞毒性评估,结果表明该水凝胶无细胞毒性。通过电化学分析探讨了其潜在应用。
为解耦体相电解质效应与界面材料效应对电化学性能的贡献,在以下样品上进行了电化学测试

CRediT作者贡献声明

Zhe Wang:论文撰写——审阅与编辑,论文撰写——初稿,可视化,软件,方法论。Wenmeng Liu:软件,方法论。Long Chen:论文撰写——审阅与编辑。Zhengyu Jin:指导,资金获取。Jinyuan Sun:论文撰写——审阅与编辑,资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的与本论文所报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金(编号:32322068;编号:32130084)。国家重点研发计划(2023YFD2100801)。
Zhe Wang|Wenmeng Liu|Long Chen|Zhengyu Jin|Jinyuan Sun
江南大学食品科学与工程学院,无锡,214122,中国
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号