大家好，今天我们来了解一篇关于水凝胶的研究论文——《Stretchable, Adhesive, and Biocompatible Hydrogel Based on Iron–Dopamine Complexes》发表于《Polymers》。水凝胶是一种很有潜力的材料，在组织工程、可穿戴设备等领域有广泛应用。这篇论文主要介绍了一种基于铁 - 多巴胺复合物的水凝胶，它具有可拉伸、粘合和生物相容性等优异性能。通过实验，研究人员探究了不同因素对水凝胶性能的影响，并展示了其在生物医学工程等方面的应用前景。接下来，我们将详细了解这篇论文的具体内容。
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一、引言
水凝胶是一种在材料科学领域具有重要应用的三维交联聚合物网络，能够吸收和保留大量水分，在组织工程、软机器人、可穿戴设备等众多生物医学领域有潜在应用。例如，Das等人开发了具有广泛机械性能、快速自恢复、显著抗疲劳、高效自愈合和温度依赖形状记忆行为的聚（甲基丙烯酰胺-乙烯基咪唑）- M2 +（M = Ni和Zn）水凝胶。
二、材料和方法
（一）材料
本研究使用的材料包括：从Acros Organics获得的丙烯酰胺和3-羟基酪胺（多巴胺）盐酸盐；从Alfa Aesar获取的六水合氯化铁和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺；从Sigma-Aldrich购置的2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基丙苯酮（Irgacure 2959）；通过文献方法合成的甲基丙烯酸改性多巴胺；以及在所有实验中使用的去离子水。
（二）水凝胶制备
PAID水凝胶通过丙烯酰胺、六水合氯化铁和甲基丙烯酸改性多巴胺在N,N'-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂和Irgacure 2959（单体的2 mol％）作为自由基引发剂的存在下，于去离子水中进行自由基聚合合成。
（三）表征
使用Bruker（Billerica，MA，USA）AVANCEII-400 MHz光谱仪，以D2O为溶剂获得核磁共振（NMR）光谱；使用Thermo Fisher Scientific（Waltham，MA，USA）Nicolet iS5傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪评估PAID水凝胶的分子特性和相互作用；使用JEOL（Tokyo，Japan）JSM-7600F型号的扫描电子显微镜（SEM）检查水凝胶的形态。为制备测试样品，水凝胶进行冷冻真空干燥，即在液氮中快速冷冻，然后在-80°C的真空条件下使用冷冻干燥系统冻干至少24小时，使所有水分升华。
（四）机械测量
使用Gotech（Taichung，Taiwan）AI-3000-U拉伸测试仪对PAID水凝胶进行拉伸测试；使用TA流变仪（DHR-1，New Castle，Delaware，USA）配备平行板设置进行流变测量，该设置包括直径为20毫米、间隙为1毫米的板，通过动态振荡频率扫描实验确定剪切储能模量（G′）和损耗模量（G′′）与角频率（ω）的函数关系，测量在0.1至100 rad /sec的ω范围内、应变（γ）为1％和25°C的温度下进行。
（五）水凝胶的生物相容性
通过培养L929细胞与提取介质来评估PAID水凝胶的生物相容性。为制备提取介质，将PAID-0、PAID-1和PAID-3水凝胶以1:10（水凝胶体积与介质体积）的体积比浸入Dulbecco 改良的Eagle培养基（DMEM，Gibco，Life Technologies，Carlsbad，CA，USA）中，并在 37°C下孵育两天。将L929细胞接种在96孔板中，用DMEM在37°C、5％CO2下培养一天，随后用提取介质替换DMEM，使细胞生长1、3和7天。使用MTT试剂对用提取介质和DMEM培养的L929细胞进行细胞活力测定，在BioTek（Winooski，VT，USA）800 TS 微孔板读数器上测量595 nm处的溶液光密度，未暴露于测试水凝胶的细胞被指定为对照组。
三、结果和讨论
（一）PAID水凝胶的制备
PAID-0为透明白色水凝胶，加入FeCl3・6H2O后，PAID-1、PAID-2和 PAID-3水凝胶变为透明浅黄色水凝胶，这表明铁离子的加入可能导致铁-DA复合物的形成，从而显著改变水凝胶的外观。
（二）光谱分析和形态
FT-IR分析表明，PAID-0中3375和3208 cm-1处的吸收带表明N-H和/或O-H 拉伸振动，1665和1435 cm-1处的吸收带分别为酰胺基团中C=O拉伸和芳香族中C=C拉伸的特征。PAID-1、PAID-2和PAID-3中O-H拉伸带在较低频率3343和3198 cm-1处显现，表明可能形成铁-DA复合物。同时，C=O和C=C（芳香族）信号随着DA含量的增加向低波数移动，这表明DA含量的增加可能增强氢键和π-π堆积相互作用。
SEM 图像显示，PAID-0具有均匀平坦的结构，而PAID-1、PAID-2和PAID-3 呈现出分层结构。随着DA量的增加，分层结构变得更紧密，这意味着水凝胶的拉伸性可以增强。
（三）机械性能
拉伸应力-应变曲线显示，PAID-0的拉伸强度为4.7 kPa，断裂伸长率为675％。引入铁离子后，PAID-1的拉伸强度和断裂伸长率分别增加到12.6 kPa和743％。PAID-2和 PAID-3的拉伸强度降低，分别为10.7 kPa和8.0 kPa，但断裂伸长率提高，分别为882％和1011％。
动态流变行为显示，所有PAID水凝胶的储能模量（G'）均高于损耗模量（G''），具有粘弹性固体性质。PAID-0、PAID-1、PAID-2和PAID-3的G' 值分别为251 Pa、1390 Pa、699 Pa和352 Pa。
（四）生物相容性
L929细胞在PAID水凝胶上培养1、3和7天的细胞存活率表明，7天后细胞存活率高于90％，证实了PAID水凝胶的出色生物相容性。
水凝胶的降解速率为PAID-0＞PAID-3≈PAID-2＞PAID-1，与它们的机械强度趋势相关，表明金属配位相互作用可能是驱动降解的主要因素。
（五）粘合和拉伸能力
PAID-3对玻璃、塑料、不锈钢、手套、铝和木材等具有良好的粘附性。
PAID-3与基材的界面粘附机制的示意图。PAID-3在玻璃上的粘附强度约为15.2 kPa。
PAID-3可作为玻璃粘合剂，能有效粘附在玻璃表面，并且对皮肤具有出色的粘附性、拉伸性和承重能力。
四、结论
本研究合成了四种掺入AAM、MBA和DA的水凝胶，并探究了不同比例的铁（III）离子与DA对每个水凝胶性能的影响。通过FT-IR、SEM、拉伸应力-应变和流变学实验阐明了材料性能与分子间力的相关性。PAID-0和PAID-1的分析验证了金属配位对增强水凝胶刚度和韧性的重要性，增加多巴胺含量可提高水凝胶的拉伸性和粘附能力。最终选择具有最佳机械性能的PAID-3水凝胶进行各种材料的粘附测试，PAID-3对多种材料表现出良好的粘附性且细胞毒性低，展示出作为生物医学工程应用新选择的巨大潜力。
参考文献：
Lee C, et al. Stretchable, Adhesive, and Biocompatible Hydrogel Based on Iron-Dopamine Complexes. Polymers (Basel). 2023 Nov 10;15(22):4378.
