智慧韧带新突破：机械发光水凝胶助力仿生智能感知【AbMole】

在生物材料科学领域，水凝胶作为一种极具潜力的生物仿生软材料，因其卓越的灵活性、强度、湿润能力、生物相容性和生物活性，被视为提升人类生活质量的重要材料。然而，如何确保这些材料在实际应用中稳定、可靠地运行，特别是如何监测其工作状态，预防潜在的风险，一直是科研人员面临的重大挑战。近日，来自中国科学院的研究团队在这一领域取得了突破性进展，他们成功研发出一种基于机械发光（Mechanoluminescence，ML）的应力传感水凝胶，为智能人工韧带的研发开辟了新路径。

研究背景：智能水凝胶的需求与挑战

人体内的软组织，如肌腱、肌肉和软骨，承担着大部分的身体活动，能够承受数千倍于自身重量的负荷，并保持高弹性，以应对数百万次的机械负荷循环。然而，这些软组织一旦受损，就需要通过仿生软材料来进行修复或替代。水凝胶因其独特的性能，成为仿生软材料的佼佼者。但水凝胶在实际应用中面临着磨损损伤和疲劳失效等严重问题，这些问题可能会对人体造成伤害。因此，开发一种能够实时监测应力状态、预防失效的智能水凝胶显得尤为重要。

传统的应力传感方法通常依赖于机械-电学转换，需要使用导线连接到分析仪，这在封闭的人体环境中显然不适用。相比之下，机械发光作为一种由机械刺激激活的发光行为，具有低成本、易制备、高准确性和灵敏度、短响应时间和非接触无线检测等优势，成为实现应力传感水凝胶的理想选择。

研究方法：机械发光水凝胶的创新设计

为了实现机械发光水凝胶的应力传感功能，研究团队提出了一种创新的设计思路：将表面改性的BaSi₂O₂N₂:Eu²⁺（M-BSON）颗粒化学嵌入到聚丙烯酰胺/聚甲基丙烯酸甲酯（PAM/PMA）交联网络中。这一设计不仅解决了ML颗粒在水凝胶中分散不均匀和发光猝灭的问题，还赋予了水凝胶优异的机械性能和应力发光响应性。

首先，研究团队对BSON颗粒进行了表面改性，使其能够与PMA疏水胶束有效结合。他们选择了3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（γ-MPS）作为连接桥，通过水解和缩合反应将γ-MPS连接到BSON颗粒表面。这一改性过程不仅改变了BSON颗粒的表面性质，还保留了其晶体结构和发光性能，为后续的水凝胶制备奠定了基础。

接下来，研究团队通过PAM和PMA单体的共聚反应，在表面活性剂胶束体系中制备了ML胶束水凝胶。在这个过程中，亲水的PAM链在水环境下呈现自由伸展状态，而疏水的PMA链则卷曲成稳定的胶束。由于γ-MPS中的烯烃基团与MA存在加成反应，参与的M-BSON能够与PMA胶束牢固结合，形成核壳结构，将M-BSON颗粒包裹在内。这种独特的结构设计不仅解决了ML颗粒在水凝胶中的均匀分散问题，还通过化学结合提高了应力传递效率，从而增强了ML性能。

实验过程与结果分析

在实验过程中，研究团队首先通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证了BSON颗粒的表面改性效果。结果显示，M-BSON颗粒表面成功连接了γ-MPS，且其晶体结构和发光性能保持不变。随后，他们通过扫描电子显微镜（SEM）和水接触角（WCA）测试进一步确认了改性的成功。

在制备ML胶束水凝胶后，研究团队对其机械性能和ML性能进行了详细测试。结果表明，与未嵌入颗粒的水凝胶相比，嵌入M-BSON颗粒的水凝胶在弹性模量、断裂强度和韧性方面均表现出显著提高。特别是当M-BSON含量为40%时，水凝胶的综合性能达到最优，弹性模量为1.58MPa，断裂强度为2.73MPa，韧性为3.40MJ/m³。此外，该水凝胶还具有出色的拉伸性能和抗穿刺能力，能够承受大变形而不破裂。

在ML性能方面，研究团队发现该水凝胶能够在多种机械刺激下发出稳定的绿色发光。通过对比不同机械刺激模式下的发光光谱，他们发现发光峰位置会随着机械刺激模式的不同而发生偏移，这可能与BSON颗粒表面γ-MPS的张力程度和水接触情况有关。更引人注目的是，该水凝胶的发光行为具有持久性，能够在机械刺激后持续发光约10秒，这对于应力成像和失效预警具有重要意义。

为了验证水凝胶的应力传感能力，研究团队还进行了拉伸测试和光力学测试。结果显示，随着拉伸应变的增加，水凝胶的发光强度逐渐增强，且发光强度与应变之间呈现一一对应关系。这表明该水凝胶具有优异的应力传感性能，能够准确反映水凝胶的应力状态。

研究意义与未来展望

这项研究不仅成功实现了ML与水凝胶的结合，为生物应力传感/监测提供了新途径，还展示了该水凝胶在智能人工韧带等仿生工程领域的广阔应用前景。由于该水凝胶具有良好的生物相容性和机械性能，因此有望成为一种理想的智能人工韧带材料，用于健康监测和失效预警。

在实际应用中，该水凝胶可以通过机械发光响应实时监测人工韧带的应力状态。当人工韧带受到拉伸或弯曲时，会产生机械发光信号。这些信号可以被光电转换器捕获并转换为电信号，然后无线传输到智能手机等终端设备上进行分析和显示。用户可以通过手机上的应用程序实时查看人工韧带的健康状态，并在必要时采取预防措施，避免潜在的风险。

除了智能人工韧带外，该水凝胶还可以应用于可穿戴运动监测设备等领域。通过将其固定在人体关节等部位，可以实时监测人体的运动状态和运动负荷，为运动训练和健康管理提供科学依据。

展望未来，随着生物材料科学的不断发展和进步，相信这种基于机械发光的应力传感水凝胶将在更多领域得到应用和推广。同时，我们也期待科研人员能够继续探索新的材料设计思路和方法，不断推动生物材料科学的发展和创新。

在这项研究中，AbMole公司的Cell Counting Kit-8（CCK-8）试剂盒发挥了重要作用。CCK-8试剂盒是一种基于WST-8的广泛应用于细胞增殖和细胞毒性的快速高灵敏度检测方法。它通过检测活细胞线粒体内的脱氢酶将WST-8还原成橙黄色甲臢产物的量来反映活细胞数量。在本研究中，研究团队使用CCK-8试剂盒评估了ML水凝胶对L929细胞的细胞毒性。结果显示，该水凝胶对L929细胞具有良好的生物相容性，细胞存活率保持在较高水平。这一结果进一步证明了该水凝胶在生物医学领域的潜在应用价值。

AbMole公司作为一家专注于生命科学研究和应用的创新型生物技术公司，致力于为客户提供高质量、高性能的生物试剂和试剂盒。CCK-8试剂盒作为AbMole公司的明星产品之一，以其高灵敏度、易操作性和准确性赢得了广大科研人员的青睐。

CCK-8试剂盒 (Cell Counting Kit-8) | AbMole