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針對(duì)上述問題，四川大學(xué)王云兵和胡成團(tuán)隊(duì)受變色龍皮膚變色機(jī)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(dǎo)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(hào)傳感功能的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)色水凝膠（CSCH）貼片，用于MI的精準(zhǔn)診斷和高效治療。該水凝膠不僅具有出色的電機(jī)械響應(yīng)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(duì)電阻提供實(shí)時(shí)電信號(hào)反饋，同時(shí)通過調(diào)節(jié)液晶相的取向顯示生動(dòng)的視覺數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部微弱界面機(jī)械刺激和時(shí)空機(jī)械刺激的數(shù)字化和可視化監(jiān)測(cè)。在MI治療中，CSCH貼片憑借其優(yōu)異的電機(jī)械傳感響應(yīng)和貼合能力，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)心臟機(jī)械生理信號(hào)，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(yīng)，可視化并精準(zhǔn)識(shí)別梗死心肌位置；隨后將水凝膠精準(zhǔn)植入病理部位，依靠其卓越的貼合能力，通過增強(qiáng)電耦合和抗炎/抗凋亡等協(xié)同機(jī)制，有效抑制纖維瘢痕形成并促進(jìn)血管再生，最終實(shí)現(xiàn)梗死心肌的高效修復(fù)。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(shè)計(jì)與表征

本研究以MXene和HPC膽甾相液晶為基礎(chǔ)，構(gòu)建了具有光電雙重響應(yīng)的導(dǎo)電水凝膠。通過化學(xué)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(diǎn)。HPC分子在水中自組裝形成具有結(jié)構(gòu)色的膽甾相液晶，并在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中保持其力致變色響應(yīng)（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(jìn)海藻酸鈉水凝膠，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)與電學(xué)信號(hào)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(gòu)，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(shí)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(guān)特征峰（圖2E），進(jìn)一步驗(yàn)證了PDA的聚合。HPC液晶具有周期性螺旋結(jié)構(gòu)，能反射可見光，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色（圖2F）。隨著HPC濃度從50%升至56%，反射峰值從656 nm（紅）藍(lán)移至461 nm（藍(lán)）（圖2G）。加入Ca²⁺促進(jìn)海藻酸鈉交聯(lián)，進(jìn)一步壓縮液晶螺距并藍(lán)移反射波長(zhǎng)。引入MXene@PDA增強(qiáng)了交聯(lián)程度，波長(zhǎng)由557 nm降至511 nm（圖2H-I）。偏光顯微鏡證實(shí)水凝膠內(nèi)保持液晶結(jié)構(gòu)（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(shí)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(xué)鍵，顯示材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（圖2L-M）。流變性能測(cè)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(jī)械強(qiáng)度（圖2N）。添加Ca2?和MXene@PDA可顯著提升其儲(chǔ)能模量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)變超過200%時(shí)G′下降至G″以下，表明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)個(gè)性化給藥，具備潛在微創(chuàng)治療應(yīng)用價(jià)值。

圖2.（A）MXene@PDA導(dǎo)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(cè)試

（2）視覺感應(yīng)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(yīng)外部機(jī)械刺激（圖3A）。材料拉伸時(shí)，顏色由紅變藍(lán)，恢復(fù)后迅速?gòu)?fù)原（圖3B、3F），得益于水凝膠的彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和3M彈性膜的保護(hù)。施加壓力時(shí)，水凝膠顏色隨壓力增大而藍(lán)移，反射波長(zhǎng)變化靈敏（-3.50?nm·%^-1），展現(xiàn)優(yōu)異的壓力變色響應(yīng)性能（圖3C），具備人機(jī)交互和動(dòng)態(tài)視覺顯示的潛力。其變色機(jī)制源于外力作用下液晶螺距的縮小，導(dǎo)致反射波長(zhǎng)藍(lán)移（圖3D），與理論預(yù)測(cè)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{(lán)，反射波長(zhǎng)靈敏度達(dá)-4.47?nm·%^-1（圖3E）。水凝膠在膨脹變形下顏色與波長(zhǎng)變化穩(wěn)定、可逆，幾乎無滯后（圖3H）。進(jìn)一步在氣球表面貼上無彈性膠帶，模擬心跳運(yùn)動(dòng)。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(xué)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(yùn)動(dòng)（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(lán)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(yùn)動(dòng)，未產(chǎn)生有效機(jī)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(jī)械刺激可視化表達(dá)，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(xué)變色性能的示意圖；（B）拉伸時(shí)水凝膠的顏色變化光學(xué)圖像；（C）受壓時(shí)水凝膠的顏色變化光學(xué)圖像；（D）力學(xué)變色機(jī)制示意圖；（E）膨脹時(shí)水凝膠的顏色變化光學(xué)圖像；（F-H）拉伸、壓縮和膨脹過程中的反射波長(zhǎng)可逆變化；（I）當(dāng)氣球表面局部不可膨脹時(shí)水凝膠的結(jié)構(gòu)色展示；（J）體外模擬梗死心臟的收縮和舒張運(yùn)動(dòng)（用縫線局部多處結(jié)扎心?。┮杂^察水凝膠的視覺監(jiān)測(cè)能力

（3）電傳感功能

電化學(xué)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(dǎo)電性能，有效降低了與組織界面的電阻（圖4A）。四電極法測(cè)試顯示，Ca2?和MXene@PDA的引入顯著提升水凝膠電導(dǎo)率，1.0%時(shí)達(dá)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(dǎo)通電路點(diǎn)亮LED燈，展示良好導(dǎo)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(chǔ)能力強(qiáng)，20次循環(huán)后曲線幾乎無變化，表現(xiàn)出優(yōu)良電化學(xué)穩(wěn)定性（圖4C）。CSCH水凝膠對(duì)機(jī)械應(yīng)變具有顯著電響應(yīng)性，ΔR/R?隨應(yīng)變?cè)黾佣撸▓D4D）。在0-72%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度因子（GF）為1.6，72–100%時(shí)升至3.6，表現(xiàn)出良好的應(yīng)變檢測(cè)能力。其響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間分別為550 ms和450 ms，800次拉伸循環(huán)后信號(hào)無明顯衰減，顯示出優(yōu)異的耐久性和重復(fù)性（圖4E-H）。此外，水凝膠可實(shí)時(shí)響應(yīng)氣球膨脹導(dǎo)致的體積變化，電阻與體積呈線性關(guān)系，靈敏度為1.05，放氣后電阻迅速恢復(fù)（圖4I、J），適用于心臟收縮/舒張等動(dòng)態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)。水凝膠貼合性良好，無需額外膠帶，可用于人體運(yùn)動(dòng)感知（圖4K）。在手指彎曲過程中信號(hào)瞬時(shí)上升，伸直后迅速恢復(fù)，表現(xiàn)出實(shí)時(shí)、靈敏監(jiān)測(cè)能力。貼于氣球、鴨心表面能精準(zhǔn)感知收縮/擴(kuò)張變形（圖4L、M）；貼于大鼠胸腔時(shí)可記錄呼吸引起的微小起伏，展現(xiàn)對(duì)微弱機(jī)械信號(hào)的高響應(yīng)性（圖4N）。綜上，CSCH水凝膠兼具高導(dǎo)電性、力敏性和變色響應(yīng)，具備出色的光電雙重信號(hào)感知能力。其可通過電阻變化反饋電信號(hào)，同時(shí)借助液晶螺距調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)顏色響應(yīng)，賦能機(jī)械刺激的數(shù)字化與可視化監(jiān)測(cè)，在智能穿戴、健康監(jiān)測(cè)和生理信號(hào)識(shí)別等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖4.（A）電化學(xué)阻抗譜（EIS）；（B）不同材料的電導(dǎo)率；（C）循環(huán)伏安（CV）曲線；（D）拉伸過程中Hydrogel-2的相對(duì)電阻可逆變化；（E）不同應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化；（F）100%應(yīng)變下不同拉伸頻率的相對(duì)電阻變化；（G）響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；（H）800次以上拉伸/釋放循環(huán)的相對(duì)電阻穩(wěn)定性；（I）膨脹過程中相對(duì)電阻的可逆變化；（J）不同變形下的相對(duì)電阻變化；（K）手指彎曲運(yùn)動(dòng)中的相對(duì)電阻變化；（L）體外監(jiān)測(cè)心跳運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)傳感；（M）重復(fù)膨脹傳感實(shí)驗(yàn)；（N）監(jiān)測(cè)大鼠呼吸運(yùn)動(dòng)

（4）心肌機(jī)械生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)與梗死心肌的視覺識(shí)別

CSCH水凝膠表現(xiàn)出良好的細(xì)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(shí)后，大多數(shù)細(xì)胞存活且形態(tài)良好（圖5A、B），CCK-8檢測(cè)顯示細(xì)胞活性均超過95%（圖5C、D），驗(yàn)證其作為心臟監(jiān)測(cè)和修復(fù)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(jī)械變形而不脫落，且可承重達(dá)50克（圖5E）。光學(xué)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(qiáng)度約為5.7?kPa（圖5H），滿足心臟貼片應(yīng)用需求。其黏附機(jī)制主要來自羥基、羧基和兒茶酚結(jié)構(gòu)與基底間的氫鍵及金屬配位作用（圖5I）。CSCH水凝膠可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟機(jī)械生理信號(hào)（圖5J）。貼附于左心室表面，水凝膠在心跳過程中相對(duì)電阻（ΔR/R?）在0-5.1%之間周期性變化（圖5K-M），心肌收縮時(shí)電阻降至最低，舒張時(shí)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(cè)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(jià)值。此外，水凝膠具有力致變色功能。貼于心臟表面時(shí)，正常心肌在舒張期顏色由綠色變?yōu)樗{(lán)紫色，收縮時(shí)恢復(fù)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(dǎo)致變形能力下降（圖5L、N）。有限元分析顯示，梗死區(qū)機(jī)械應(yīng)力顯著減弱，而非梗死區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)，進(jìn)一步解釋了顏色變化的空間差異（圖5O、P）。該機(jī)制使水凝膠貼片通過視覺顏色變化快速識(shí)別心肌損傷區(qū)域，具備實(shí)時(shí)、可視化診斷潛力。未來可結(jié)合光纖與引流管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)可視化MI定位與監(jiān)測(cè)。

圖5.（A）H9C2細(xì)胞的活/死染色圖像（FDA/PI）；（B）HUVECs細(xì)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(shí)后H9C2細(xì)胞的存活率（；（D）不同水凝膠提取物處理24和72小時(shí)后HUVECs細(xì)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(xué)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(qiáng)度；（J）機(jī)械生理信號(hào)監(jiān)測(cè)和梗死區(qū)域視覺識(shí)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(duì)電阻曲線；（M）MI大鼠心臟表面的Hydrogel-2的相對(duì)電阻曲線；（L）MI大鼠心臟收縮和舒張運(yùn)動(dòng)期間Hydrogel-2的視覺顏色變化；（N）梗死心肌中收縮-舒張運(yùn)動(dòng)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(fù)心肌梗死

CSCH水凝膠因其與心肌組織相匹配的電導(dǎo)率，可降低梗死后瘢痕組織電阻，重建心臟電傳導(dǎo)通路，增強(qiáng)收縮舒張同步性，從而促進(jìn)心肌梗死（MI）修復(fù)（圖6A）。在MI模型中，借助CSCH的光電雙重信號(hào)功能可精準(zhǔn)定位梗死區(qū)域，實(shí)施有針對(duì)性的貼片治療。超聲心動(dòng)圖評(píng)估顯示，治療14天和28天后，Hydrogel-2組在各項(xiàng)心臟功能指標(biāo)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(kuò)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(bǔ)償了瘢痕區(qū)域的電傳導(dǎo)，改善心臟收縮功能。心電圖（ECG）進(jìn)一步驗(yàn)證了CSCH的電生理修復(fù)能力（圖6D）。術(shù)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(zhǎng)，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(shí)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(qiáng)與瘢痕組織的電耦合，顯著恢復(fù)了心肌電傳導(dǎo)功能。組織學(xué)分析顯示，CSCH還能有效防止心室重構(gòu)。H&E染色結(jié)果表明，Hydrogel-2組心壁厚度達(dá)2727.4±265.4 μm，明顯高于MI組的924.3±157.4 μm，提示其可增強(qiáng)局部電整合、減少心壁變薄（圖6G、6H）。Masson染色進(jìn)一步顯示，Hydrogel-2組存活心肌（紅色）明顯增多，膠原沉積（藍(lán)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(dǎo)通路，改善收縮功能，還可精準(zhǔn)定位梗死區(qū)域，抑制心室重構(gòu)，顯著提升MI后的心臟結(jié)構(gòu)與功能恢復(fù)水平，為心臟電生理修復(fù)及可視化診療提供了有力支持。

圖6.（A）水凝膠重建傳導(dǎo)通路及修復(fù)梗死心肌的示意圖；（B）各組大鼠心臟的超聲心動(dòng)圖；（C）14天和28天后的心臟功能指標(biāo)：EF、FS、EDV和ESV；（D）結(jié)扎手術(shù)前后的心電圖；（E）28天治療后各組的心電圖；（F）QRS波群時(shí)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(fù)的機(jī)制

通過免疫熒光染色評(píng)估CSCH水凝膠在體內(nèi)的抗炎和心肌修復(fù)作用。治療28天后，Hydrogel-2組中促炎性M1型巨噬細(xì)胞（CD86?）顯著減少，抗炎性M2型巨噬細(xì)胞（CD206?）表達(dá)顯著增加（圖7A、B、圖S24），表明其能有效誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型極化，抑制炎癥反應(yīng)。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(xì)胞凋亡。Ki67染色表明，Hydrogel-2組細(xì)胞增殖活性最強(qiáng)，陽性率達(dá)20.63±4.80%（圖7E、F），提示其通過補(bǔ)償電傳導(dǎo)激活細(xì)胞功能。血管化評(píng)估中，Hydrogel-2組vWF和CD31陽性血管結(jié)構(gòu)明顯，28天后血管密度達(dá)30.95±2.6%，遠(yuǎn)高于MI組（5.89±1.2%）（圖7G、H、圖S26），表明其有助于恢復(fù)梗死區(qū)血供。心臟功能標(biāo)志物分析顯示，Hydrogel-2組CX43和α-actinin表達(dá)顯著上調(diào)（圖7I、J、圖S24），說明水凝膠可增強(qiáng)電傳導(dǎo)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(jìn)心肌組織重建。綜上，CSCH水凝膠通過調(diào)控免疫反應(yīng)、促進(jìn)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(xì)胞；（C）α-actinin/TUNEL；（D）凋亡指數(shù)；（E）α-actinin/Ki67；（F）Ki67陽性細(xì)胞；（G）vWF/CD31；（H）vWF/CD31陽性密度；（I）α-actinin/CX43；（J）CX43陽性細(xì)胞；（K）COL-III/COL-I；（M）COL-III/COL-I比值