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針對上述問題，四川大學王云兵和胡成團隊受變色龍皮膚變色機制啟發(fā)，通過靜態(tài)自組裝和鈣離子交聯(lián)策略，將羥丙甲纖維素（HPC）和MXene@PDA納米導電材料合理整合到海藻酸鈉水凝膠體系中，成功開發(fā)出具有光電雙重信號傳感功能的導電結(jié)構色水凝膠（CSCH）貼片，用于MI的精準診斷和高效治療。該水凝膠不僅具有出色的電機械響應性和力致變色特性，還能與組織緊密貼合。它能夠通過改變相對電阻提供實時電信號反饋，同時通過調(diào)節(jié)液晶相的取向顯示生動的視覺數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對外部微弱界面機械刺激和時空機械刺激的數(shù)字化和可視化監(jiān)測。在MI治療中，CSCH貼片憑借其優(yōu)異的電機械傳感響應和貼合能力，可實時準確監(jiān)測心臟機械生理信號，初步確定心臟病理情況；利用膽甾相液晶的出色力致變色響應，可視化并精準識別梗死心肌位置；隨后將水凝膠精準植入病理部位，依靠其卓越的貼合能力，通過增強電耦合和抗炎/抗凋亡等協(xié)同機制，有效抑制纖維瘢痕形成并促進血管再生，最終實現(xiàn)梗死心肌的高效修復。該文章于2025年6月16日以《Bioinspired Conductive Structural Color Hydrogels: A Theragnostic Platform for Spatiotemporal Monitoring and Repair of Myocardial Infarction》為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202510548）。

圖1 研究示意圖

(1) CSCH水凝膠的設計與表征

本研究以MXene和HPC膽甾相液晶為基礎，構建了具有光電雙重響應的導電水凝膠。通過化學剝離與表面氧化聚合制備了MXene@PDA納米材料（圖2A），PDA包覆不僅提高了MXene的生物相容性，也為離子交聯(lián)提供了錨定位點。HPC分子在水中自組裝形成具有結(jié)構色的膽甾相液晶，并在水凝膠網(wǎng)絡中保持其力致變色響應（圖2B）。通過靜態(tài)自組裝與后離子交聯(lián)策略，MXene@PDA與HPC液晶被整合進海藻酸鈉水凝膠，實現(xiàn)了光學與電學信號的協(xié)同傳感功能。TEM顯示，未改性MXene為單層二維片狀結(jié)構，PDA修飾后表面出現(xiàn)大量納米簇，厚度增加（圖2C）。元素分析證實表面成功引入N元素（8.04%），C和O含量亦顯著上升（圖2D）。紅外光譜顯示羥基、氨基及芳香環(huán)相關特征峰（圖2E），進一步驗證了PDA的聚合。HPC液晶具有周期性螺旋結(jié)構，能反射可見光，產(chǎn)生結(jié)構色（圖2F）。隨著HPC濃度從50%升至56%，反射峰值從656 nm（紅）藍移至461 nm（藍）（圖2G）。加入Ca²⁺促進海藻酸鈉交聯(lián)，進一步壓縮液晶螺距并藍移反射波長。引入MXene@PDA增強了交聯(lián)程度，波長由557 nm降至511 nm（圖2H-I）。偏光顯微鏡證實水凝膠內(nèi)保持液晶結(jié)構（圖2J）。XPS分析顯示，Hydrogel-1中出現(xiàn)Ca 2p和Cl 2p峰，Hydrogel-2中出現(xiàn)Ti 2p、F 1s和N 1s峰，證實MXene@PDA成功摻入（圖2K）。C 1s譜圖中C=O峰隨改性逐漸向高結(jié)合能位移，Ti 2p譜圖觀察到Ti-C、Ti-O及Ti-F等化學鍵，顯示材料結(jié)構穩(wěn)定（圖2L-M）。流變性能測試表明，水凝膠在1-100 rad·s^-1頻率范圍內(nèi)始終保持G′ > G″，具備良好的凝膠狀態(tài)和機械強度（圖2N）。添加Ca2?和MXene@PDA可顯著提升其儲能模量和結(jié)構穩(wěn)定性。應變超過200%時G′下降至G″以下，表明網(wǎng)絡結(jié)構斷裂，但在200%以內(nèi)可保持彈性凝膠特性。此外，該水凝膠具有良好注射性能，可通過注射器實現(xiàn)個性化給藥，具備潛在微創(chuàng)治療應用價值。

圖2.（A）MXene@PDA導電納米片制備示意圖；（B）CSCH制備示意圖；（C）MXene和MXene@PDA納米片的TEM圖像及元素分布；（D）EDS譜圖；（E）FTIR譜圖；（F）不同顏色水凝膠的照片；（G）不同顏色水凝膠的反射光譜；（H）含54% HPC的水凝膠的SEM圖像；（I）膽甾相液晶及螺距的示意圖；（J）不同HPC濃度水凝膠的POM圖像；（K）HPC/SA、無MXene@PDA的水凝膠（Hydrogel-1）和含1.0% MXene@PDA的水凝膠（Hydrogel-2）的全XPS譜圖；（L）Ti 2p的高分辨XPS譜圖；（M）C 1s的高分辨XPS譜圖；（N）頻率范圍0至100 rad·s-1的流變頻率掃描測試

（2）視覺感應功能

CSCH水凝膠因含有HPC膽甾相液晶，能通過顏色變化敏感響應外部機械刺激（圖3A）。材料拉伸時，顏色由紅變藍，恢復后迅速復原（圖3B、3F），得益于水凝膠的彈性網(wǎng)絡結(jié)構和3M彈性膜的保護。施加壓力時，水凝膠顏色隨壓力增大而藍移，反射波長變化靈敏（-3.50?nm·%^-1），展現(xiàn)優(yōu)異的壓力變色響應性能（圖3C），具備人機交互和動態(tài)視覺顯示的潛力。其變色機制源于外力作用下液晶螺距的縮小，導致反射波長藍移（圖3D），與理論預測一致。將水凝膠貼于氣球表面，氣球膨脹變形0-40%范圍內(nèi)，水凝膠顏色依次由紅、黃、綠變?yōu)樗{，反射波長靈敏度達-4.47?nm·%^-1（圖3E）。水凝膠在膨脹變形下顏色與波長變化穩(wěn)定、可逆，幾乎無滯后（圖3H）。進一步在氣球表面貼上無彈性膠帶，模擬心跳運動。結(jié)果顯示，正常區(qū)域顏色隨氣球膨脹而改變，而膠帶覆蓋處顏色幾乎不變，因局部變形受限（圖3I），證明CSCH可精確感知空間力學刺激。在鴨心左心室建立體外MI模型，將水凝膠貼于心臟表面模擬心跳運動（圖3J）。結(jié)果顯示，正常區(qū)域水凝膠顏色隨心跳在綠與青藍間變換，而梗死區(qū)域水凝膠保持紅黃色不變，因局部心肌無收縮運動，未產(chǎn)生有效機械刺激。綜上，CSCH水凝膠可通過液晶螺距變化將拉伸、壓力、膨脹等外部機械刺激可視化表達，具備高靈敏度、良好穩(wěn)定性和空間分辨能力，為仿生皮膚、心臟傳感貼片等智能傳感器的發(fā)展提供了新策略。

圖3.（A）拉伸和壓縮過程中力學變色性能的示意圖；（B）拉伸時水凝膠的顏色變化光學圖像；（C）受壓時水凝膠的顏色變化光學圖像；（D）力學變色機制示意圖；（E）膨脹時水凝膠的顏色變化光學圖像；（F-H）拉伸、壓縮和膨脹過程中的反射波長可逆變化；（I）當氣球表面局部不可膨脹時水凝膠的結(jié)構色展示；（J）體外模擬梗死心臟的收縮和舒張運動（用縫線局部多處結(jié)扎心肌）以觀察水凝膠的視覺監(jiān)測能力

（3）電傳感功能

電化學阻抗譜（EIS）表明，CSCH水凝膠的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）約為300?Ω，得益于MXene@PDA的優(yōu)異導電性能，有效降低了與組織界面的電阻（圖4A）。四電極法測試顯示，Ca2?和MXene@PDA的引入顯著提升水凝膠電導率，1.0%時達到1.05?±?0.053?S·m?1，略高于人心肌組織（圖4B、圖S13）。水凝膠可導通電路點亮LED燈，展示良好導電性。循環(huán)伏安（CV）曲線顯示Hydrogel-2具有更大CV環(huán)面積，電荷存儲能力強，20次循環(huán)后曲線幾乎無變化，表現(xiàn)出優(yōu)良電化學穩(wěn)定性（圖4C）。CSCH水凝膠對機械應變具有顯著電響應性，ΔR/R?隨應變增加而升高（圖4D）。在0-72%應變范圍內(nèi)靈敏度因子（GF）為1.6，72–100%時升至3.6，表現(xiàn)出良好的應變檢測能力。其響應與恢復時間分別為550 ms和450 ms，800次拉伸循環(huán)后信號無明顯衰減，顯示出優(yōu)異的耐久性和重復性（圖4E-H）。此外，水凝膠可實時響應氣球膨脹導致的體積變化，電阻與體積呈線性關系，靈敏度為1.05，放氣后電阻迅速恢復（圖4I、J），適用于心臟收縮/舒張等動態(tài)信號監(jiān)測。水凝膠貼合性良好，無需額外膠帶，可用于人體運動感知（圖4K）。在手指彎曲過程中信號瞬時上升，伸直后迅速恢復，表現(xiàn)出實時、靈敏監(jiān)測能力。貼于氣球、鴨心表面能精準感知收縮/擴張變形（圖4L、M）；貼于大鼠胸腔時可記錄呼吸引起的微小起伏，展現(xiàn)對微弱機械信號的高響應性（圖4N）。綜上，CSCH水凝膠兼具高導電性、力敏性和變色響應，具備出色的光電雙重信號感知能力。其可通過電阻變化反饋電信號，同時借助液晶螺距調(diào)節(jié)實現(xiàn)顏色響應，賦能機械刺激的數(shù)字化與可視化監(jiān)測，在智能穿戴、健康監(jiān)測和生理信號識別等領域具有廣闊應用前景。

圖4.（A）電化學阻抗譜（EIS）；（B）不同材料的電導率；（C）循環(huán)伏安（CV）曲線；（D）拉伸過程中Hydrogel-2的相對電阻可逆變化；（E）不同應變下的相對電阻變化；（F）100%應變下不同拉伸頻率的相對電阻變化；（G）響應時間和恢復時間；（H）800次以上拉伸/釋放循環(huán)的相對電阻穩(wěn)定性；（I）膨脹過程中相對電阻的可逆變化；（J）不同變形下的相對電阻變化；（K）手指彎曲運動中的相對電阻變化；（L）體外監(jiān)測心跳運動的電信號傳感；（M）重復膨脹傳感實驗；（N）監(jiān)測大鼠呼吸運動

（4）心肌機械生理信號的監(jiān)測與梗死心肌的視覺識別

CSCH水凝膠表現(xiàn)出良好的細胞相容性?；?死染色結(jié)果顯示，Hydrogel-1和Hydrogel-2組在培養(yǎng)24和72小時后，大多數(shù)細胞存活且形態(tài)良好（圖5A、B），CCK-8檢測顯示細胞活性均超過95%（圖5C、D），驗證其作為心臟監(jiān)測和修復材料的生物安全性。水凝膠具有優(yōu)異的黏附性能，可緊密貼合豬皮并承受拉伸、彎曲、扭曲等機械變形而不脫落，且可承重達50克（圖5E）。光學和掃描電鏡觀察顯示，水凝膠與豬皮及鴨心表面緊密結(jié)合，無裂隙（圖5F）。經(jīng)歷1000次模擬心跳后，水凝膠仍穩(wěn)定附著于心臟表面（圖5G），黏附強度約為5.7?kPa（圖5H），滿足心臟貼片應用需求。其黏附機制主要來自羥基、羧基和兒茶酚結(jié)構與基底間的氫鍵及金屬配位作用（圖5I）。CSCH水凝膠可實時監(jiān)測心臟機械生理信號（圖5J）。貼附于左心室表面，水凝膠在心跳過程中相對電阻（ΔR/R?）在0-5.1%之間周期性變化（圖5K-M），心肌收縮時電阻降至最低，舒張時升至最高，反映心臟泵血功能。通過結(jié)扎大鼠左前降支建立心肌梗死（MI）模型，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)MI心臟電阻變化幅度顯著下降，僅為0-2.8%，提示心肌收縮功能受損，具有初步診斷價值。此外，水凝膠具有力致變色功能。貼于心臟表面時，正常心肌在舒張期顏色由綠色變?yōu)樗{紫色，收縮時恢復原狀；而梗死區(qū)域顏色基本不變，仍為黃綠色，因局部心肌缺血壞死導致變形能力下降（圖5L、N）。有限元分析顯示，梗死區(qū)機械應力顯著減弱，而非梗死區(qū)域應力增強，進一步解釋了顏色變化的空間差異（圖5O、P）。該機制使水凝膠貼片通過視覺顏色變化快速識別心肌損傷區(qū)域，具備實時、可視化診斷潛力。未來可結(jié)合光纖與引流管技術，實現(xiàn)體內(nèi)可視化MI定位與監(jiān)測。

圖5.（A）H9C2細胞的活/死染色圖像（FDA/PI）；（B）HUVECs細胞的活/死染色圖像（FDA/PI）；（C）不同水凝膠提取物處理24和72小時后H9C2細胞的存活率（；（D）不同水凝膠提取物處理24和72小時后HUVECs細胞的存活率；（E）水凝膠黏附于豬皮表面的照片；（F）水凝膠-豬皮界面的光學顯微鏡圖像；（G）水凝膠-大鼠心臟界面的掃描電子顯微鏡圖像；（H）黏附于豬皮上的Hydrogel-2的搭接剪切曲線；（I）不同材料上的黏附強度；（J）機械生理信號監(jiān)測和梗死區(qū)域視覺識別的示意圖（使用BioRender.com創(chuàng)建）；（K）正常大鼠心臟表面的Hydrogel-2的相對電阻曲線；（M）MI大鼠心臟表面的Hydrogel-2的相對電阻曲線；（L）MI大鼠心臟收縮和舒張運動期間Hydrogel-2的視覺顏色變化；（N）梗死心肌中收縮-舒張運動受阻的示意圖；（O）正常心臟收縮期的力分析；（P）梗死心臟收縮期的力分析

（5）電偶修復心肌梗死

CSCH水凝膠因其與心肌組織相匹配的電導率，可降低梗死后瘢痕組織電阻，重建心臟電傳導通路，增強收縮舒張同步性，從而促進心肌梗死（MI）修復（圖6A）。在MI模型中，借助CSCH的光電雙重信號功能可精準定位梗死區(qū)域，實施有針對性的貼片治療。超聲心動圖評估顯示，治療14天和28天后，Hydrogel-2組在各項心臟功能指標上顯著優(yōu)于MI組和Hydrogel-1組（圖6B）。MI組EF和FS值逐漸下降，EDV和ESV升高，提示心室擴大和功能惡化。相比之下，Hydrogel-2組EF提升至81.55±5.8%，F(xiàn)S至50.53±1.4%，EDV與ESV分別降至0.41±0.03?mL和0.06±0.02?mL（圖6C），表明水凝膠有效補償了瘢痕區(qū)域的電傳導，改善心臟收縮功能。心電圖（ECG）進一步驗證了CSCH的電生理修復能力（圖6D）。術后3-7天，MI組表現(xiàn)為病理性Q波、倒置T波加深及QRS波群延長，反映出明顯的電解耦現(xiàn)象（圖6E、圖S20）。Hydrogel-1部分緩解病理變化，而Hydrogel-2顯著改善QRS時限（由56.5±6.0 ms縮短至23.6±4.2 ms），有效降低ST段抬高，說明其通過增強與瘢痕組織的電耦合，顯著恢復了心肌電傳導功能。組織學分析顯示，CSCH還能有效防止心室重構。H&E染色結(jié)果表明，Hydrogel-2組心壁厚度達2727.4±265.4 μm，明顯高于MI組的924.3±157.4 μm，提示其可增強局部電整合、減少心壁變?。▓D6G、6H）。Masson染色進一步顯示，Hydrogel-2組存活心?。t色）明顯增多，膠原沉積（藍色）減少，梗死面積顯著降低，從55.66±4.0%降至6.31±2.0%（圖6G、6I、圖S23）。綜上，CSCH水凝膠不僅能重建受損心肌電傳導通路，改善收縮功能，還可精準定位梗死區(qū)域，抑制心室重構，顯著提升MI后的心臟結(jié)構與功能恢復水平，為心臟電生理修復及可視化診療提供了有力支持。

圖6.（A）水凝膠重建傳導通路及修復梗死心肌的示意圖；（B）各組大鼠心臟的超聲心動圖；（C）14天和28天后的心臟功能指標：EF、FS、EDV和ESV；（D）結(jié)扎手術前后的心電圖；（E）28天治療后各組的心電圖；（F）QRS波群時限；（G）28天不同處理后梗死心臟的H&E和Masson三色染色；（H，I）28天不同處理后梗死心壁厚度和梗死面積的定量分析

（6）心肌修復的機制

通過免疫熒光染色評估CSCH水凝膠在體內(nèi)的抗炎和心肌修復作用。治療28天后，Hydrogel-2組中促炎性M1型巨噬細胞（CD86?）顯著減少，抗炎性M2型巨噬細胞（CD206?）表達顯著增加（圖7A、B、圖S24），表明其能有效誘導巨噬細胞向M2型極化，抑制炎癥反應。TUNEL染色結(jié)果顯示，Hydrogel-2組凋亡指數(shù)最低（6.70±1.4%）（圖7C、D），說明其良好的電耦合功能可減少細胞凋亡。Ki67染色表明，Hydrogel-2組細胞增殖活性最強，陽性率達20.63±4.80%（圖7E、F），提示其通過補償電傳導激活細胞功能。血管化評估中，Hydrogel-2組vWF和CD31陽性血管結(jié)構明顯，28天后血管密度達30.95±2.6%，遠高于MI組（5.89±1.2%）（圖7G、H、圖S26），表明其有助于恢復梗死區(qū)血供。心臟功能標志物分析顯示，Hydrogel-2組CX43和α-actinin表達顯著上調(diào)（圖7I、J、圖S24），說明水凝膠可增強電傳導和收縮耦合。膠原沉積分析中，Hydrogel-2組膠原III/I比值顯著提高（圖7K、M），表明其能調(diào)節(jié)纖維化，促進心肌組織重建。綜上，CSCH水凝膠通過調(diào)控免疫反應、促進血管生成及抑制纖維化，有效改善MI后心肌形態(tài)與功能。

圖7.免疫熒光圖像及定量分析。（A）CD86/CD206；（B）CD206陽性細胞；（C）α-actinin/TUNEL；（D）凋亡指數(shù)；（E）α-actinin/Ki67；（F）Ki67陽性細胞；（G）vWF/CD31；（H）vWF/CD31陽性密度；（I）α-actinin/CX43；（J）CX43陽性細胞；（K）COL-III/COL-I；（M）COL-III/COL-I比值