摘要：水凝胶已被用于各种医疗应用，包括药物传递、组织修复、生物传感器、伤口敷料和抗菌活性。导电水凝胶因其独特的特性，如高含水量、生物相容性和可调节的机械及电学性能而被广泛应用。

水凝胶已被用于各种医疗应用，包括药物传递、组织修复、生物传感器、伤口敷料和抗菌活性。导电水凝胶因其独特的特性，如高含水量、生物相容性和可调节的机械及电学性能而被广泛应用。

本文研究了聚丙烯酰胺、壳聚糖、植酸和聚苯胺对水凝胶在应变下的电灵敏度和稳定性的贡献。通过仔细地调整其成分和交联机制，可以快速调整这些水凝胶的力学性能、溶胀行为和电导率。所得到的多功能材料具有抗菌性能。植酸和聚苯胺能显著提高水凝胶的电灵敏度和机械稳定性。植酸在钙离子的存在下，进一步提高了其力学性能，而聚苯胺使水凝胶的电导率提高了约7倍，也提高了其力学性能。新开发的导电水凝胶系统在可穿戴传感器等生物医学领域中的应用前景广阔。

图1.PAAm/PA-PANI水凝胶合成方案。

使用双网络合成了可拉伸和导电的水凝胶，结合 PAAm、KPS 引发的 MBAA，并将壳聚糖溶解在植酸溶液中。水凝胶合成 5 h 后，将所得材料浸泡到苯胺盐酸盐溶液中，在 APS 溶液中聚合。植酸的亲水性使其能够在水中稀释，从而产生用于溶解壳聚糖的酸性介质，这些分子在壳聚糖中发生物理交联。共价结合的 PAAm 水凝胶网络和 PA-CS 键具有可拉伸和其他机械性能（图1）。

图2.PANI、植酸、PAAm/PA水凝胶的FT-红外光谱。

从图2可以看出，聚苯胺FTIR谱1563和1471cm−1处的峰分别对应醌环和苯环的C=N和C=C拉伸模式。1297 cm−1 谱带对应于仲芳香胺的 C-N 拉伸，1234 cm-1 处的带可以读作极化子结构中的 C-N-C 拉伸振动（图2）。

图3. 不同比例的PA和水（5：5；7.5：2.5；10：0）的PAAm/PA水凝胶的扫描电镜图像。

图3显示了水凝胶内的三维多孔海绵状结构，苯胺的掺入和聚合使样品更多孔，但整体聚合物基质看起来非常相似（图3）。

图4.将样品切成矩形片，进行拉伸试验和电灵敏度试验。

以每秒1 mm的速度测试水凝胶的拉伸能力，直到样品破裂。图4c显示了样品在应变作用下停止拉伸的点，突出表明随着植酸体积的增加，弹性水平增加，导致最大应变为1100%。PANI的加入表现出强度水平的差异，与没有导电聚合物的样品相比，在90 kPa处达到峰值（图4）。

图5.有无PANI的水凝胶的电阻结果。

电阻测量的结果如图5所示，其中在有和没有PANI的样品之间可以观察到明显的偏差，无PANI的水凝胶的电阻测量结果表明，5：5为10.88 kΩ，7.5：2.5为8.43 kΩ，10：0为16.63 kΩ。而对于含有PANI的凝胶，分别有1.782 kΩ、1.362 kΩ和2.245 kΩ。（图5）。

图6.基于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生长抑制区的抗菌试验。

在图6中的所有样品中，抗菌活性最高的是样品S5，含有植酸（10：0）。S1与一些稀释的植酸的结果几乎相同（7.5：2.5）。这意味着S1中的植酸负荷应该足以达到最大的效果。样品S7为含PANI和不含植酸的水凝胶，具有一定的抗菌活性。这可能是由于PANI释放了微量盐酸。如果比较S1和S5的PANI类似物，可以看到样品S6的抗菌活性几乎是S2的两倍。在样品S2中，水、植酸和PANI的存在最有利于分子间的相互作用。样品S4与S2的组成相似，且抗菌活性最低（图6）。

本文研究了稳定的复合水凝胶的合成和组合效果的抗菌活性。这些组件的比例决定了它的性质。发现了由聚丙烯酰胺、壳聚糖、植酸和聚苯胺形成稳定、可拉伸和导电的水凝胶的最佳比例。以植酸与水的比例（7.5：2.5）计算的导电水凝胶是导电性、机械强度和抗菌活性的最佳比例。这些水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抑菌活性。将PANI加入到水凝胶基质中，使其电导率至少提高了6倍。植酸比对水凝胶的稳定性、电导率和溶胀性能起着至关重要的作用。

近期，该研究成果以“Stable conductive PANI‑based hydrogels with antibacterial activity”为题发表于学术期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》，论文第一作者为Mukhtar Alipuly，通讯作者为纳扎尔巴耶夫大学Nurxat Nuraje。

撰稿人：张晓静

审稿人：王 晟

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来源：奇趣科学圈