水凝膠已被用于各種醫(yī)療應(yīng)用，包括藥物傳遞、組織修復(fù)、生物傳感器、傷口敷料和抗菌活性。導(dǎo)電水凝膠因其獨(dú)特的特性，如高含水量、生物相容性和可調(diào)節(jié)的機(jī)械及電學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用。

本文研究了聚丙烯酰胺、殼聚糖、植酸和聚苯胺對(duì)水凝膠在應(yīng)變下的電靈敏度和穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。通過(guò)仔細(xì)地調(diào)整其成分和交聯(lián)機(jī)制，可以快速調(diào)整這些水凝膠的力學(xué)性能、溶脹行為和電導(dǎo)率。所得到的多功能材料具有抗菌性能。植酸和聚苯胺能顯著提高水凝膠的電靈敏度和機(jī)械穩(wěn)定性。植酸在鈣離子的存在下，進(jìn)一步提高了其力學(xué)性能，而聚苯胺使水凝膠的電導(dǎo)率提高了約7倍，也提高了其力學(xué)性能。新開(kāi)發(fā)的導(dǎo)電水凝膠系統(tǒng)在可穿戴傳感器等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊。

圖1.PAAm/PA-PANI水凝膠合成方案。

使用雙網(wǎng)絡(luò)合成了可拉伸和導(dǎo)電的水凝膠，結(jié)合 PAAm、KPS 引發(fā)的 MBAA，并將殼聚糖溶解在植酸溶液中。水凝膠合成 5 h 后，將所得材料浸泡到苯胺鹽酸鹽溶液中，在 APS 溶液中聚合。植酸的親水性使其能夠在水中稀釋?zhuān)瑥亩a(chǎn)生用于溶解殼聚糖的酸性介質(zhì)，這些分子在殼聚糖中發(fā)生物理交聯(lián)。共價(jià)結(jié)合的 PAAm 水凝膠網(wǎng)絡(luò)和 PA-CS 鍵具有可拉伸和其他機(jī)械性能（圖1）。

圖2.PANI、植酸、PAAm/PA水凝膠的FT-紅外光譜。

從圖2可以看出，聚苯胺FTIR譜1563和1471cm?1處的峰分別對(duì)應(yīng)醌環(huán)和苯環(huán)的C=N和C=C拉伸模式。1297 cm?1 譜帶對(duì)應(yīng)于仲芳香胺的 C-N 拉伸，1234 cm-1 處的帶可以讀作極化子結(jié)構(gòu)中的 C-N-C 拉伸振動(dòng)（圖2）。

圖3. 不同比例的PA和水（5：5；7.5：2.5；10：0）的PAAm/PA水凝膠的掃描電鏡圖像。

圖3顯示了水凝膠內(nèi)的三維多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，苯胺的摻入和聚合使樣品更多孔，但整體聚合物基質(zhì)看起來(lái)非常相似（圖3）。

圖4.將樣品切成矩形片，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和電靈敏度試驗(yàn)。

以每秒1 mm的速度測(cè)試水凝膠的拉伸能力，直到樣品破裂。圖4c顯示了樣品在應(yīng)變作用下停止拉伸的點(diǎn)，突出表明隨著植酸體積的增加，彈性水平增加，導(dǎo)致最大應(yīng)變?yōu)?100%。PANI的加入表現(xiàn)出強(qiáng)度水平的差異，與沒(méi)有導(dǎo)電聚合物的樣品相比，在90 kPa處達(dá)到峰值（圖4）。

圖5.有無(wú)PANI的水凝膠的電阻結(jié)果。

電阻測(cè)量的結(jié)果如圖5所示，其中在有和沒(méi)有PANI的樣品之間可以觀察到明顯的偏差，無(wú)PANI的水凝膠的電阻測(cè)量結(jié)果表明，5：5為10.88 kΩ，7.5：2.5為8.43 kΩ，10：0為16.63 kΩ。而對(duì)于含有PANI的凝膠，分別有1.782 kΩ、1.362 kΩ和2.245 kΩ。（圖5）。

圖6.基于金黃色葡萄球菌和大腸桿菌生長(zhǎng)抑制區(qū)的抗菌試驗(yàn)。

在圖6中的所有樣品中，抗菌活性最高的是樣品S5，含有植酸（10：0）。S1與一些稀釋的植酸的結(jié)果幾乎相同（7.5：2.5）。這意味著S1中的植酸負(fù)荷應(yīng)該足以達(dá)到最大的效果。樣品S7為含PANI和不含植酸的水凝膠，具有一定的抗菌活性。這可能是由于PANI釋放了微量鹽酸。如果比較S1和S5的PANI類(lèi)似物，可以看到樣品S6的抗菌活性幾乎是S2的兩倍。在樣品S2中，水、植酸和PANI的存在最有利于分子間的相互作用。樣品S4與S2的組成相似，且抗菌活性最低（圖6）。

本文研究了穩(wěn)定的復(fù)合水凝膠的合成和組合效果的抗菌活性。這些組件的比例決定了它的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)了由聚丙烯酰胺、殼聚糖、植酸和聚苯胺形成穩(wěn)定、可拉伸和導(dǎo)電的水凝膠的最佳比例。以植酸與水的比例（7.5：2.5）計(jì)算的導(dǎo)電水凝膠是導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和抗菌活性的最佳比例。這些水凝膠對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌活性。將PANI加入到水凝膠基質(zhì)中，使其電導(dǎo)率至少提高了6倍。植酸比對(duì)水凝膠的穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和溶脹性能起著至關(guān)重要的作用。

近期，該研究成果以“Stable conductive PANI?based hydrogels with antibacterial activity”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》，論文第一作者為Mukhtar Alipuly，通訊作者為納扎爾巴耶夫大學(xué)Nurxat Nuraje。

撰稿人：張曉靜

審稿人：王 晟

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https://doi.org/10.1007/s42114-024-01110-2

來(lái)源：抗菌抗污材料前沿