K8·凯发(中国)

针对上述问题，四川大学王云兵和胡成团队受变色龙皮肤变色机制启发，顺利获得静态自组装和钙离子交联策略，将羟丙甲纤维素（HPC）和MXene@PDA纳米导电材料合理整合到海藻酸钠水凝胶体系中，成功开发出具有光电双重信号传感功能的导电结构色水凝胶（CSCH）贴片，用于MI的精准诊断和高效治疗。该水凝胶不仅具有出色的电机械响应性和力致变色特性，还能与组织紧密贴合。它能够顺利获得改变相对电阻给予实时电信号反馈，同时顺利获得调节液晶相的取向显示生动的视觉数据，实现对外部微弱界面机械刺激和时空机械刺激的数字化和可视化监测。在MI治疗中，CSCH贴片凭借其优异的电机械传感响应和贴合能力，可实时准确监测心脏机械生理信号，初步确定心脏病理情况；利用胆甾相液晶的出色力致变色响应，可视化并精准识别梗死心肌位置；随后将水凝胶精准植入病理部位，依靠其卓越的贴合能力，顺利获得增强电耦合和抗炎/抗凋亡等协同机制，有效抑制纤维瘢痕形成并促进血管再生，最终实现梗死心肌的高效修复。该文章于2025年6月16日以《Bioinspired Conductive Structural Color Hydrogels: A Theragnostic Platform for Spatiotemporal Monitoring and Repair of Myocardial Infarction》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202510548）。

图1 研究示意图

(1) CSCH水凝胶的设计与表征

本研究以MXene和HPC胆甾相液晶为基础，构建了具有光电双重响应的导电水凝胶。顺利获得化学剥离与表面氧化聚合制备了MXene@PDA纳米材料（图2A），PDA包覆不仅提高了MXene的生物相容性，也为离子交联给予了锚定位点。HPC分子在水中自组装形成具有结构色的胆甾相液晶，并在水凝胶网络中保持其力致变色响应（图2B）。顺利获得静态自组装与后离子交联策略，MXene@PDA与HPC液晶被整合进海藻酸钠水凝胶，实现了光学与电学信号的协同传感功能。TEM显示，未改性MXene为单层二维片状结构，PDA修饰后表面出现大量纳米簇，厚度增加（图2C）。元素分析证实表面成功引入N元素（8.04%），C和O含量亦显著上升（图2D）。红外光谱显示羟基、氨基及芳香环相关特征峰（图2E），进一步验证了PDA的聚合。HPC液晶具有周期性螺旋结构，能反射可见光，产生结构色（图2F）。随着HPC浓度从50%升至56%，反射峰值从656 nm（红）蓝移至461 nm（蓝）（图2G）。加入Ca²⁺促进海藻酸钠交联，进一步压缩液晶螺距并蓝移反射波长。引入MXene@PDA增强了交联程度，波长由557 nm降至511 nm（图2H-I）。偏光显微镜证实水凝胶内保持液晶结构（图2J）。XPS分析显示，Hydrogel-1中出现Ca 2p和Cl 2p峰，Hydrogel-2中出现Ti 2p、F 1s和N 1s峰，证实MXene@PDA成功掺入（图2K）。C 1s谱图中C=O峰随改性逐渐向高结合能位移，Ti 2p谱图观察到Ti-C、Ti-O及Ti-F等化学键，显示材料结构稳定（图2L-M）。流变性能测试表明，水凝胶在1-100 rad·s^-1频率范围内始终保持G′ > G″，具备良好的凝胶状态和机械强度（图2N）。添加Ca²⁺和MXene@PDA可显著提升其储能模量和结构稳定性。应变超过200%时G′下降至G″以下，表明网络结构断裂，但在200%以内可保持弹性凝胶特性。此外，该水凝胶具有良好注射性能，可顺利获得注射器实现个性化给药，具备潜在微创治疗应用价值。

图2.（A）MXene@PDA导电纳米片制备示意图；（B）CSCH制备示意图；（C）MXene和MXene@PDA纳米片的TEM图像及元素分布；（D）EDS谱图；（E）FTIR谱图；（F）不同颜色水凝胶的照片；（G）不同颜色水凝胶的反射光谱；（H）含54% HPC的水凝胶的SEM图像；（I）胆甾相液晶及螺距的示意图；（J）不同HPC浓度水凝胶的POM图像；（K）HPC/SA、无MXene@PDA的水凝胶（Hydrogel-1）和含1.0% MXene@PDA的水凝胶（Hydrogel-2）的全XPS谱图；（L）Ti 2p的高分辨XPS谱图；（M）C 1s的高分辨XPS谱图；（N）频率范围0至100 rad·s-1的流变频率扫描测试

（2）视觉感应功能

CSCH水凝胶因含有HPC胆甾相液晶，能顺利获得颜色变化敏感响应外部机械刺激（图3A）。材料拉伸时，颜色由红变蓝，恢复后迅速复原（图3B、3F），得益于水凝胶的弹性网络结构和3M弹性膜的保护。施加压力时，水凝胶颜色随压力增大而蓝移，反射波长变化灵敏（-3.50 nm·%^-1），展现优异的压力变色响应性能（图3C），具备人机交互和动态视觉显示的潜力。其变色机制源于外力作用下液晶螺距的缩小，导致反射波长蓝移（图3D），与理论预测一致。将水凝胶贴于气球表面，气球膨胀变形0-40%范围内，水凝胶颜色依次由红、黄、绿变为蓝，反射波长灵敏度达-4.47 nm·%^-1（图3E）。水凝胶在膨胀变形下颜色与波长变化稳定、可逆，几乎无滞后（图3H）。进一步在气球表面贴上无弹性胶带，模拟心跳运动。结果显示，正常区域颜色随气球膨胀而改变，而胶带覆盖处颜色几乎不变，因局部变形受限（图3I），证明CSCH可精确感知空间力学刺激。在鸭心左心室建立体外MI模型，将水凝胶贴于心脏表面模拟心跳运动（图3J）。结果显示，正常区域水凝胶颜色随心跳在绿与青蓝间变换，而梗死区域水凝胶保持红黄色不变，因局部心肌无收缩运动，未产生有效机械刺激。综上，CSCH水凝胶可顺利获得液晶螺距变化将拉伸、压力、膨胀等外部机械刺激可视化表达，具备高灵敏度、良好稳定性和空间分辨能力，为仿生皮肤、心脏传感贴片等智能传感器的开展给予了新策略。

图3.（A）拉伸和压缩过程中力学变色性能的示意图；（B）拉伸时水凝胶的颜色变化光学图像；（C）受压时水凝胶的颜色变化光学图像；（D）力学变色机制示意图；（E）膨胀时水凝胶的颜色变化光学图像；（F-H）拉伸、压缩和膨胀过程中的反射波长可逆变化；（I）当气球表面局部不可膨胀时水凝胶的结构色展示；（J）体外模拟梗死心脏的收缩和舒张运动（用缝线局部多处结扎心肌）以观察水凝胶的视觉监测能力

（3）电传感功能

电化学阻抗谱（EIS）表明，CSCH水凝胶的电荷转移电阻（Rct）约为300 Ω，得益于MXene@PDA的优异导电性能，有效降低了与组织界面的电阻（图4A）。四电极法测试显示，Ca²⁺和MXene@PDA的引入显著提升水凝胶电导率，1.0%时达到1.05 ± 0.053 S·m⁻¹，略高于人心肌组织（图4B、图S13）。水凝胶可导通电路点亮LED灯，展示良好导电性。循环伏安（CV）曲线显示Hydrogel-2具有更大CV环面积，电荷存储能力强，20次循环后曲线几乎无变化，表现出优良电化学稳定性（图4C）。CSCH水凝胶对机械应变具有显著电响应性，ΔR/R₀随应变增加而升高（图4D）。在0-72%应变范围内灵敏度因子（GF）为1.6，72–100%时升至3.6，表现出良好的应变检测能力。其响应与恢复时间分别为550 ms和450 ms，800次拉伸循环后信号无明显衰减，显示出优异的耐久性和重复性（图4E-H）。此外，水凝胶可实时响应气球膨胀导致的体积变化，电阻与体积呈线性关系，灵敏度为1.05，放气后电阻迅速恢复（图4I、J），适用于心脏收缩/舒张等动态信号监测。水凝胶贴合性良好，无需额外胶带，可用于人体运动感知（图4K）。在手指弯曲过程中信号瞬时上升，伸直后迅速恢复，表现出实时、灵敏监测能力。贴于气球、鸭心表面能精准感知收缩/扩张变形（图4L、M）；贴于大鼠胸腔时可记录呼吸引起的微小起伏，展现对微弱机械信号的高响应性（图4N）。综上，CSCH水凝胶兼具高导电性、力敏性和变色响应，具备出色的光电双重信号感知能力。其可顺利获得电阻变化反馈电信号，同时借助液晶螺距调节实现颜色响应，赋能机械刺激的数字化与可视化监测，在智能穿戴、健康监测和生理信号识别等领域具有广阔应用前景。

图4.（A）电化学阻抗谱（EIS）；（B）不同材料的电导率；（C）循环伏安（CV）曲线；（D）拉伸过程中Hydrogel-2的相对电阻可逆变化；（E）不同应变下的相对电阻变化；（F）100%应变下不同拉伸频率的相对电阻变化；（G）响应时间和恢复时间；（H）800次以上拉伸/释放循环的相对电阻稳定性；（I）膨胀过程中相对电阻的可逆变化；（J）不同变形下的相对电阻变化；（K）手指弯曲运动中的相对电阻变化；（L）体外监测心跳运动的电信号传感；（M）重复膨胀传感实验；（N）监测大鼠呼吸运动

（4）心肌机械生理信号的监测与梗死心肌的视觉识别

CSCH水凝胶表现出良好的细胞相容性。活/死染色结果显示，Hydrogel-1和Hydrogel-2组在培养24和72小时后，大多数细胞存活且形态良好（图5A、B），CCK-8检测显示细胞活性均超过95%（图5C、D），验证其作为心脏监测和修复材料的生物安全性。水凝胶具有优异的黏附性能，可紧密贴合猪皮并承受拉伸、弯曲、扭曲等机械变形而不脱落，且可承重达50克（图5E）。光学和扫描电镜观察显示，水凝胶与猪皮及鸭心表面紧密结合，无裂隙（图5F）。经历1000次模拟心跳后，水凝胶仍稳定附着于心脏表面（图5G），黏附强度约为5.7 kPa（图5H），满足心脏贴片应用需求。其黏附机制主要来自羟基、羧基和儿茶酚结构与基底间的氢键及金属配位作用（图5I）。CSCH水凝胶可实时监测心脏机械生理信号（图5J）。贴附于左心室表面，水凝胶在心跳过程中相对电阻（ΔR/R₀）在0-5.1%之间周期性变化（图5K-M），心肌收缩时电阻降至最低，舒张时升至最高，反映心脏泵血功能。顺利获得结扎大鼠左前降支建立心肌梗死（MI）模型，监测发现MI心脏电阻变化幅度显著下降，仅为0-2.8%，提示心肌收缩功能受损，具有初步诊断价值。此外，水凝胶具有力致变色功能。贴于心脏表面时，正常心肌在舒张期颜色由绿色变为蓝紫色，收缩时恢复原状；而梗死区域颜色基本不变，仍为黄绿色，因局部心肌缺血坏死导致变形能力下降（图5L、N）。有限元分析显示，梗死区机械应力显著减弱，而非梗死区域应力增强，进一步解释了颜色变化的空间差异（图5O、P）。该机制使水凝胶贴片顺利获得视觉颜色变化快速识别心肌损伤区域，具备实时、可视化诊断潜力。未来可结合光纤与引流管技术，实现体内可视化MI定位与监测。

图5.（A）H9C2细胞的活/死染色图像（FDA/PI）；（B）HUVECs细胞的活/死染色图像（FDA/PI）；（C）不同水凝胶提取物处理24和72小时后H9C2细胞的存活率（；（D）不同水凝胶提取物处理24和72小时后HUVECs细胞的存活率；（E）水凝胶黏附于猪皮表面的照片；（F）水凝胶-猪皮界面的光学显微镜图像；（G）水凝胶-大鼠心脏界面的扫描电子显微镜图像；（H）黏附于猪皮上的Hydrogel-2的搭接剪切曲线；（I）不同材料上的黏附强度；（J）机械生理信号监测和梗死区域视觉识别的示意图（使用BioRender.com创建）；（K）正常大鼠心脏表面的Hydrogel-2的相对电阻曲线；（M）MI大鼠心脏表面的Hydrogel-2的相对电阻曲线；（L）MI大鼠心脏收缩和舒张运动期间Hydrogel-2的视觉颜色变化；（N）梗死心肌中收缩-舒张运动受阻的示意图；（O）正常心脏收缩期的力分析；（P）梗死心脏收缩期的力分析

（5）电偶修复心肌梗死

CSCH水凝胶因其与心肌组织相匹配的电导率，可降低梗死后瘢痕组织电阻，重建心脏电传导通路，增强收缩舒张同步性，从而促进心肌梗死（MI）修复（图6A）。在MI模型中，借助CSCH的光电双重信号功能可精准定位梗死区域，实施有针对性的贴片治疗。超声心动图评估显示，治疗14天和28天后，Hydrogel-2组在各项心脏功能指标上显著优于MI组和Hydrogel-1组（图6B）。MI组EF和FS值逐渐下降，EDV和ESV升高，提示心室扩大和功能恶化。相比之下，Hydrogel-2组EF提升至81.55±5.8%，FS至50.53±1.4%，EDV与ESV分别降至0.41±0.03 mL和0.06±0.02 mL（图6C），表明水凝胶有效补偿了瘢痕区域的电传导，改善心脏收缩功能。心电图（ECG）进一步验证了CSCH的电生理修复能力（图6D）。术后3-7天，MI组表现为病理性Q波、倒置T波加深及QRS波群延长，反映出明显的电解耦现象（图6E、图S20）。Hydrogel-1部分缓解病理变化，而Hydrogel-2显著改善QRS时限（由56.5±6.0 ms缩短至23.6±4.2 ms），有效降低ST段抬高，说明其顺利获得增强与瘢痕组织的电耦合，显著恢复了心肌电传导功能。组织学分析显示，CSCH还能有效防止心室重构。H&E染色结果表明，Hydrogel-2组心壁厚度达2727.4±265.4 μm，明显高于MI组的924.3±157.4 μm，提示其可增强局部电整合、减少心壁变薄（图6G、6H）。Masson染色进一步显示，Hydrogel-2组存活心肌（红色）明显增多，胶原沉积（蓝色）减少，梗死面积显著降低，从55.66±4.0%降至6.31±2.0%（图6G、6I、图S23）。综上，CSCH水凝胶不仅能重建受损心肌电传导通路，改善收缩功能，还可精准定位梗死区域，抑制心室重构，显著提升MI后的心脏结构与功能恢复水平，为心脏电生理修复及可视化诊疗给予了有力支持。

图6.（A）水凝胶重建传导通路及修复梗死心肌的示意图；（B）各组大鼠心脏的超声心动图；（C）14天和28天后的心脏功能指标：EF、FS、EDV和ESV；（D）结扎手术前后的心电图；（E）28天治疗后各组的心电图；（F）QRS波群时限；（G）28天不同处理后梗死心脏的H&E和Masson三色染色；（H，I）28天不同处理后梗死心壁厚度和梗死面积的定量分析

（6）心肌修复的机制

顺利获得免疫荧光染色评估CSCH水凝胶在体内的抗炎和心肌修复作用。治疗28天后，Hydrogel-2组中促炎性M1型巨噬细胞（CD86⁺）显著减少，抗炎性M2型巨噬细胞（CD206⁺）表达显著增加（图7A、B、图S24），表明其能有效诱导巨噬细胞向M2型极化，抑制炎症反应。TUNEL染色结果显示，Hydrogel-2组凋亡指数最低（6.70±1.4%）（图7C、D），说明其良好的电耦合功能可减少细胞凋亡。Ki67染色表明，Hydrogel-2组细胞增殖活性最强，阳性率达20.63±4.80%（图7E、F），提示其顺利获得补偿电传导激活细胞功能。血管化评估中，Hydrogel-2组vWF和CD31阳性血管结构明显，28天后血管密度达30.95±2.6%，远高于MI组（5.89±1.2%）（图7G、H、图S26），表明其有助于恢复梗死区血供。心脏功能标志物分析显示，Hydrogel-2组CX43和α-actinin表达显著上调（图7I、J、图S24），说明水凝胶可增强电传导和收缩耦合。胶原沉积分析中，Hydrogel-2组胶原III/I比值显著提高（图7K、M），表明其能调节纤维化，促进心肌组织重建。综上，CSCH水凝胶顺利获得调控免疫反应、促进血管生成及抑制纤维化，有效改善MI后心肌形态与功能。

图7.免疫荧光图像及定量分析。（A）CD86/CD206；（B）CD206阳性细胞；（C）α-actinin/TUNEL；（D）凋亡指数；（E）α-actinin/Ki67；（F）Ki67阳性细胞；（G）vWF/CD31；（H）vWF/CD31阳性密度；（I）α-actinin/CX43；（J）CX43阳性细胞；（K）COL-III/COL-I；（M）COL-III/COL-I比值