团队蓝玲怡研究员、应义斌教授研究成果在Advanced Materials期刊上在线发表
近日，浙江大学智能生物产业装备创新团队（IBE）系统工程与食品科学学院蓝玲怡研究员、应义斌教授团队（IBE）联合浙江大学航空航天学院宋吉舟教授、控制科学与工程学院李光教授，在Advanced Materials期刊上发表研究论文“Skin-inspired all-natural biogel for bioadhesive interface”。该研究报道了一种简单有效的一步制备高性能明胶水凝胶的方法，并实现了对植物电生理信号的高保真检测。
水凝胶作为一类含有高水分的交联聚合物，因其与生物组织的相似性，被视为构建人机交互界面的理想材料。其中，由多糖和蛋白质等天然物质制备而成的天然水凝胶因其优良的生物相容性和生物可降解性而备受关注。明胶是一种常见的动物源性蛋白质，主要由动物的皮肤、骨骼或软骨等部位提取而来。明胶具有受温度控制的可逆相转变特性，可以在不同的生物组织表面实现原位固化，从而显著提高其与生物组织表面的粘附力，在构建与生物组织高度贴合的界面时具有巨大优势。然而，传统的明胶水凝胶通常存在机械性能较差、导电性差以及易失水等问题，限制了其应用。因此，制备具有高机械强度、保水能力和导电性的明胶水凝胶仍然是一大挑战。
为此，该研究提出了一种简单有效的一步制备高性能明胶水凝胶的方法（图1a）。通过将明胶和吡咯烷酮羧酸钠（一种天然保湿因子）巧妙结合，可以大幅增强明胶水凝胶的机械强度、导电性和保水能力。天然保湿因子（Natural Moisturizing Factor，NMF）是皮肤表层的重要组成部分，包括氨基酸、天然糖类、小分子多羟基化合物和盐类等成分，它们起着维持皮肤水分平衡的重要作用。NMF能够吸引并锁住水分，帮助皮肤保持水润和柔软，同时也对皮肤的屏障功能具有支持作用，有助于保护皮肤免受外部环境的损伤和刺激。明胶和PCA-Na的结合显著提高了明胶-吡咯烷酮羧酸钠（GP）凝胶的机械强度、导电性和保水性能。此外，GP凝胶的温度相转变特性赋予了其原位固化特性，可以实现与人体皮肤、多毛植物表面的有效贴合（图1b，c），有利于建立高效贴合的生物界面。
图1凝胶的制备过程示意图及其与不同基底表面的高度贴合性
植物的内源性电信号对于感知和应对环境变化至关重要，环境刺激会引发植物膜电位的变化，从而调控植物的生理活动。这些电信号被认为是快速响应的长距离信号传递途径，对植物的生存至关重要。因此，对植物电信号的准确检测对于了解植物生理信息具有重要意义。然而，植物表面的结构复杂性给电极的紧密接触带来了挑战。植物表面常常具有各种形态和密度的毛状结构，这使得常规电极难以粘附。由于GP凝胶具有温度相转变特性，使其可与植物组织紧密且牢固地粘附，从而提高了其用于植物生理信号检测的性能。实验结果表明（图2），基于GP凝胶的电极在植物生理信号检测中具有更高的信噪比和稳定性，相比商业琼脂糖凝胶电极，能够捕捉到更清晰、更稳定的信号，在植物电生理信号的检测方面有广阔的应用前景。
图2凝胶用于植物电生理信号检测
该研究是综合农业工程、材料和力学等多学科领域交叉融合的研究成果。论文第一单位为浙江大学生工食品学院，通讯作者为浙江大学IBE团队应义斌教授，第一作者为浙江大学IBE团队蓝玲怡研究员。蓝玲怡研究员于2023年11月入选浙江大学“百人计划”，是浙江大学应义斌教授领衔的智能生物产业装备创新团队（IBE）核心成员。主要从事农业信息学领域的交叉研究工作，在Advanced Materials, ACS Nano, Advanced Science等国际高水平期刊上发表一系列研究成果。曾获浙江省优秀博士学位论文、海外华人农业、生物与食品工程师协会研究生学术成就奖等荣誉，主持国家自然科学基金青年基金等项目。
个人主页：https://person.zju.edu.cn/lingyilan
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202401151
