Hofmeister效应辅助的蛋白质基水凝胶应变传感器

蔡雅倩，张家怀，刘方哲，李海潮，石建平，关 爽

（长春工业大学化学与生命科学学院,材料科学高级研究所高分子与软材料实验室,长春 130021）

水凝胶是一种具有三维网络结构的材料，具有含水量高的特点，被广泛应用于组织工程［1～3］、药物传递［4～7］及伤口敷料［8］等领域.水凝胶中含有大量水，可以模拟生理环境，有利于细胞培养和物质运输；但水凝胶的高含水量使其力学性能较差，这在一定程度上限制了水凝胶的应用.研究者们为制备强韧的水凝胶做出了大量努力.此外，研究者们还通过在水凝胶中添加导电物质制备了导电水凝胶，并将其应用于传感和储能等领域［9，10］.天然蛋白质基材料容易获得、环境友好并且生物相容性良好，具有广泛的应用前景.但由于天然蛋白质结构的可设计性较差，设计具有韧性且导电的天然蛋白质基水凝胶仍然是一项具有挑战性的工作.

酪蛋白酸钠和明胶是两种重要的天然蛋白质材料.酪蛋白酸钠又称为干酪素钠或酪酸钠，是由4种主要酪蛋白组成的可溶性混合物，同时也是一种安全无害的增稠剂和乳化剂.酪蛋白酸钠可以从牛奶中获得，被研究者们广泛应用［11～14］.明胶是一种容易获得的具有良好生物相容性和生物降解性的材料［15，16］.Nichol等［17］将其作为细胞实验的培养基质.同时，明胶作为生物基材料，也可以用来制备水凝胶，被广泛应用于生物医学领域［18～21］.

Hofmeister效应可以改变蛋白质的溶解度［22，23］.Hofmeister效应由Hofmeister于1888年提出，此后得到了广泛而深入的研究.研究者发现，Hofmeister序列中阴离子的作用比阳离子更明显［24，25］，阴离子序列通常为，阳离子序列通常为N（CH3）4+＞NH4+＞Cs+＞Rb+＞Na+＞Li+＞Ca2+＞Mg2+＞Zn2+＞Ba2+.Hofmeister序列的左侧离子是强水合离子，会降低蛋白质的溶解度；而右侧的离子是弱水合离子，会增加蛋白质的溶解度［26］.研究表明，水化壳、大分子和离子的相互作用使蛋白质的水化水被清除，导致蛋白质折叠和沉淀，这是Hofmeister效应产生的原因［27～30］.研究人员研究了离子对蛋白质的影响，但利用Hofmeister效应优化水凝胶性能的研究相对简单，尤其是蛋白质基水凝胶.

京尼平是一种优异的天然生物交联剂，可以用来交联蛋白质［31］，制备水凝胶材料.京尼平易溶于水，具有良好的生物相容性.本文用京尼平作为交联剂交联酪蛋白酸钠和明胶，制备出酪蛋白酸钠/明胶（SC/Gel）预凝胶，随后将预凝胶浸泡在一定浓度的（NH4）2SO4溶液中，促使具有三重螺旋结构的明胶与（NH4）2SO4溶液产生Hofmeister效应，形成疏水作用域，增强水凝胶的物理交联作用，显著增强了水凝胶的机械性能，并赋予了水凝胶优异的导电性能与传感性能，使其有望应用于蛋白质基应变传感器.理想的性质结合简单的制备方法，使天然蛋白质基水凝胶具有更广泛的应用前景.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

酪蛋白酸钠（SC，BR，来源于牛奶）和硫酸铵［（NH4）2SO4，分析纯，99%］，上海麦克林生化科技有限公司；明胶（照相级）和京尼平（Genipin，98%），上海阿拉丁生化科技有限公司.

Ag-x型拉伸试验机（100 N），日本岛津公司；Physical MCR 302型流变仪，德国Anton Paar公司；PARSTAT MC型电化学工作站，美国Ametek公司.

1.2 酪蛋白酸钠/明胶(SC/Gel)水凝胶的制备

将酪蛋白酸钠加入到去离子水中，在65℃水浴条件下搅拌1 h，使酪蛋白酸钠完全溶解；加入明胶，搅拌至明胶完全溶解，形成均匀的溶液；待溶液冷却至室温后，加入京尼平（京尼平的加入量为总固含量的1%），搅拌均匀后倒入玻璃模具中，将玻璃模具在室温条件下静置24 h进行交联，得到SC/Gel预凝胶，记为SxGy，其中x为酪蛋白酸钠的质量分数，y为明胶的质量分数；将预凝胶在不同浓度的（NH4）2SO4溶液（10%～35%，质量分数）中于室温下浸泡12 h，即得到SC/Gel导电水凝胶，记为SxGy-Az，其中z为（NH4）2SO4溶液的浓度.

1.3 水凝胶的机械性能研究

采用拉伸试验机在室温下以100 mm/min的速度对长为30 mm、宽为4 mm、厚为3 mm的哑铃状水凝胶样品进行机械性能测试；其中断裂应力（δ，N/mm2）定义为试样断裂时的拉伸应力，断裂应变（ε，%）为试样断裂时的拉伸应变.弹性模量由应力-应变曲线的斜率计算；韧性（断裂能）由应力-应变曲线的面积计算；断裂应变的计算公式为：

式中：l（mm）为断裂长度；l0（mm）为样品初始长度.断裂应力的计算公式为：

式中：F（N）为施加的载荷；A0（mm2）为样品的横截面积.

上述实验均在室温下进行，每个组分至少测试5次，结果取平均值.

1.4 水凝胶的流变性能研究

采用流变仪对水凝胶的流变性能进行表征.水凝胶样品为厚3 mm、直径2 cm的圆片.在水凝胶样品边缘涂抹一层硅油进行密封，以防止试验过程中水凝胶水分蒸发.对水凝胶样品进行动态应变扫描实验，确定线性平台区，动态应变扫描范围为0.01%～1000%，恒定频率为ω=10 rad/s；随后，对样品进行频率扫描测试，动态频率扫描范围为0.1～100 rad/s，恒定应变为γ=0.5%.

1.5 水凝胶的导电性能研究

使用电化学工作站对尺寸为2 mm×20 mm×20 mm水凝胶的电阻进行测量，根据电阻值计算电导率（σ，S/cm），计算公式如下：

式中：L（cm）为每两个电极之间的距离；S（cm2）为水凝胶的横截面积；R（Ω）为水凝胶的电阻.

1.6 水凝胶的传感性和人体运动监测

用电化学工作站和万能拉伸测试机测试不同应变条件下水凝胶的电阻变化.在传感测试中，将尺寸为2 mm×20 mm×40 mm的水凝胶样品固定在人体上，制作水凝胶传感器；然后将水凝胶传感器连接到电化学工作站上，通过电化学工作站记录水凝胶样品的电阻变化.电阻的相对变化（ΔR/R0，%）计算如下：

式中：R0（Ω）表示没有应变时的电阻值；R（Ω）表示有应变时的电阻值.

1.7 水凝胶的形状记忆性能研究

将SC/Gel预凝胶在（NH4）2SO4溶液中浸泡12 h，固定折叠的临时形状；再将固定形状的水凝胶浸泡在去离子水中，除去（NH4）2SO4，观察水凝胶形状恢复情况.

2 结果与讨论

2.1 制备机理

SC/Gel导电水凝胶的制备过程如Scheme 1所示.京尼平作为生物交联剂，可以交联酪蛋白酸钠和明胶.当温度高于40℃时，明胶在溶液中呈随机线圈结构；当温度降低时，明胶分子变为螺旋结构，并通过氢键交联，形成SC/Gel预凝胶.将预凝胶浸泡在（NH4）2SO4溶液中，盐离子会使水凝胶在明胶螺旋结构的基础上形成疏水作用域，离子与大分子及其水化壳的直接相互作用导致蛋白质的水化水被除去，从而导致蛋白质的折叠和沉淀.水凝胶脱水导致水凝胶内部网络结构更加致密，进一步增强了水凝胶的物理相互作用，从而形成了强韧的水凝胶.通过简单的浸泡法引入的Hofmeister效应赋予了水凝胶优异的机械性能和导电性能，使水凝胶成为监测人体健康和运动的理想材料，在生物医学和传感领域具有广泛的应用前景.

Scheme 1 Mechanism diagram of SC/Gel protein-based conductive hydrogels

2.2 机械性能

通过拉伸试验机测试了SC/Gel水凝胶的机械性能，并考察了原料比例和（NH4）2SO4浓度对水凝胶机械性能的影响.图1（A）为酪蛋白酸钠和明胶不同比例的3种预凝胶（S15G5，S10G10，S5G15）的拉伸应力-应变曲线.可以看出，当酪蛋白酸钠质量分数为5%，明胶质量分数为15%时，即S5G15水凝胶的应力最大，为135.51 kPa.这是由于明胶溶液在室温中会形成三重螺旋结构，使预凝胶结构更加稳定，从而提高了预凝胶的机械性能.因此随着明胶含量的增大，预凝胶的机械性能提高.图1（B）为预凝胶的弹性模量和韧性的计算结果，由图1（B）可以看出，S5G15预凝胶具有最高的弹性模量和高韧性，弹性模量为65.12 kPa，韧性为192.61 kJ/m3.因此本文选择S5G15作为后续试验的样本.

图1（C）为S5G15预凝胶在不同浓度（NH4）2SO4溶液中浸泡后的拉伸应力-应变曲线.由图1（C）可以看出，在不同浓度（NH4）2SO4溶液中浸泡后的水凝胶的断裂应力和断裂应变均比初始试样明显增强.这是因为预凝胶在盐溶液中浸泡后，基于明胶的三重螺旋结构，在Hofmeister效应的辅助下会产生疏水作用域，水凝胶出现脱水现象，内部网络密度增大，氢键作用增强，从而使水凝胶呈现出强韧的性能.将S5G15预凝胶在浓度为25%的（NH4）2SO4溶液中浸泡后，水凝胶的拉伸应力可以达到2.19 MPa，拉伸应变为1375%.将S5G15预凝胶在浓度为35%的（NH4）2SO4溶液中浸泡后，水凝胶的拉伸应力可以达到3.55 MPa.由图1（C）可以看出，随着（NH4）2SO4溶液浓度的增加，水凝胶的拉伸应力不断增大，应变先增大后减小.这是因为随着盐溶液浓度的增加，Hofmeister效应增强，水凝胶脱水产生更多的疏水缔合链，水凝胶内部网络密度增大，导致应力增大.但当（NH4）2SO4溶液浓度过高时，水凝胶因脱水严重而发生塑化，韧性降低，从而导致断裂应变降低.图1（D）为水凝胶的弹性模量和韧性计算结果.随着（NH4）2SO4溶液浓度的增加，水凝胶的弹性模量逐渐增加，这是因为随着盐溶液浓度逐渐增大，明胶与盐离子之间的Hofmeister效应增强，在明胶螺旋结构形成的基础上产生更多的疏水作用域，水凝胶脱水，氢键增强，物理相互作用增强，导致应力集中，弹性模量不断增大，这与拉伸应力曲线变化趋势一致.随着（NH4）2SO4溶液浓度的增加，水凝胶的韧性先增加后略有降低.水凝胶的最大韧性为15.19 MJ/m3.这是由于过高的盐浓度会导致水凝胶严重脱水，内部过于致密的网络结构使水凝胶变硬且趋向于塑化，因此韧性有所降低，这与拉伸应变曲线趋势一致.因此，选择S5G15-A25作为后续试验的样本.

Fig.1 Tensile curves of SC/Gel hydrogels and their corresponding modulus and toughness(A,B)Tensile stress-strain curves(A)and elastic modulus and toughness(B)of SC/Gel hydrogels with different mass ratios of SC/Gel;(C,D)tensile stress-strain curves(C)and elastic modulus and toughness(D)of SC/Gel hydrogels soaked in(NH4)2SO4 solution with different concentrations.The inset demonstrated the erlarged versions of the tensile stress strain curves,elastic modulus and toughness of S5G15-A25,S5G15-A15 and S5G15-A20 hydrogels.(D)a.S5G15-A10,b.S5G15-A15,c.S5G15-A20,d.S5G15-A25,e.S5G15-A30,f.S5G15-A35.

进一步对水凝胶进行了拉伸、穿刺和剪切试验，考察了S5G15-A25水凝胶的机械性能.由图2（A）可见，打结后拉伸，S5G15-A25水凝胶可以拉伸至原试样的4倍长度而不发生破损［图2（A）］.对长为40 mm、宽为5 mm、厚为3 mm的长条状S5G15-A25水凝胶样品进行拉釜测试［图2（B）］，发现水凝胶能够轻松地拉起质量为5 kg的反应釜而不断裂，证明S5G15-A25水凝胶能够承受剧烈拉伸.对S5G15-A25水凝胶进行穿刺发现，穿刺后水凝胶无破损［图2（C）］，证明该水凝胶具有抗穿刺的性能.由图2（D）可见，剪切前S5G15-A25水凝胶直径为15.87 mm，经剪刀剪切后，该水凝胶未破损，直径为15.61 mm，基本未发生改变，证明该水凝胶具有抗剪切的性能.上述结果表明，水凝胶经过简单的浸泡处理后，力学性能得到了很大的改善，具有更广阔的应用前景.

Fig.2 Excellent mechanical strength of S5G15-A25 hydrogel(A)Stretching;(B)loading demonstration;(C)stabbing and corresponding recovery;(D)cutting with scissors and corresponding recovery.

2.3 流变性能

采用流变仪对水凝胶的流变性能进行了测试，图3给出S5G15预凝胶和S5G15-A25水凝胶在不同频率和应变扫描下的动态储能模量（G′）和损耗模量（G″）.图3（A）为2个样品的储能模量和损耗模量与剪切应变（γ）的函数曲线.可见，2个样品具有显著的应变依赖黏弹性响应行为.在线性黏弹性区，γ从0.1%增加到10%时，S5G15-A25水凝胶的G′总是最高的.但在10%～1000%的大剪切应变下，2个样品表现出非线性黏弹性行为，G′均显著下降，但S5G15-A25水凝胶下降相对缓慢.由图3可见，在整个频率范围内，2个样品的G′值均比G″值高得多，表明在该条件下二者均处于固态弹性体状态.此外，在整个频率范围内，S5G15-A25水凝胶的G′值和G"值均高于S5G15预凝胶，这与拉伸试验结果一致.这一现象表明，盐溶液浸泡带来的Hofmeister效应使水凝胶获得了更优异的机械性能.

Fig.3 Changes of dynamic storage modulus(G′)and loss modulus(G″)with strain(A)and frequency(B)of SC/Gel hydrogel before and after socking

2.4 导电性能

Hofmeister效应引入的盐离子赋予了水凝胶良好的导电性能，本文用电化学工作站测试了在不同浓度（NH4）2SO4溶液中浸泡后水凝胶的电阻.图4给出了S5G15预凝胶在不同浓度（NH4）2SO4溶液中浸泡后的电导率.可以看出，S5G15-Az水凝胶的电导率 随（NH4）2SO4溶液浓度的增加呈现出先升高后降低的趋势.当（NH4）2SO4溶液浓度为20%时，水凝胶的电导率达到最大值（0.0954 S/cm）.这是因为（NH4）2SO4是强电解质，将预凝胶浸泡在（NH4）2SO4溶液中，随着（NH4）2SO4溶液浓度增大，进入水凝胶的导电粒子数增多，水凝胶的电导率随之升高.但当（NH4）2SO4溶液浓度增大到一定程度后，明胶与盐离子之间的Hofmeister效应增强会使水凝胶脱水，体积收缩，水凝胶内部的网络结构更加致密，正、负离子之间的相互作用力增大，使离子的运动速率降低，从而导致水凝胶的电导率降低.

Fig.4 Conductivity of S5G15-A z hydrogel with(NH4)2SO4 concentrations vavied from 10%to 35%a.S5G15-A10;b.S5G15-A15;c.S5G15-A20;d.S5G15-A25;e.S5G15-A30;f.S5G15-A35.

2.5 传感性能

为了评估水凝胶的传感性能，利用电化学工作站和拉伸试验机对水凝胶的传感性能进行了表征.为了评价水凝胶的电灵敏度，测试了S5G15-A25水凝胶在拉伸应变（0～500%）下的相对电阻变化，并计算了导电灵敏因子［GF值，GF=（ΔR/R0）/ε］.由图5（A）可见，在0～500%拉伸应变范围内，S5G15-A25水凝胶的GF值为0.53.图5（B）示出S5G15-A25水凝胶在不同拉伸应变下重复拉伸的相对电阻变化.可见，随着拉伸应变增大，电阻变化率随之增大；并且在每次拉伸循环过程中，电阻变化率基本相同，表明S5G15-A25水凝胶作为传感器具有稳定性.图5（C）给出在拉伸应变固定在50%的情况下，S5G15-A25水凝胶在不同拉伸速率（50，100，200 mm/min）下的相对电阻变化.结果表明，S5G15-A25水凝胶对于不同速率的应变同样具有分辨能力，并且相对电阻的变化速度与应变速度一致，多次拉伸的电阻变化率基本不变，表明其作为传感材料具有可重复性.

Fig.5 Tensile sensing of S5G15-A25 hydrogel(A)Relative resistance changes of S5G15-A25 hydrogel under various tensile strains(0—500%);(B)relative resistance changes of S5G15-A25 hydrogel during repeated stretching under strain;(C)relative resistance variation of S5G15-A25 hydrogel sensor upon stretching to 50%at different tensile speed.

将S5G15-A25水凝胶附着到手指上，记录手指弯曲过程中的电阻变化.由图6（A）可见，水凝胶传感器可以区分出手指不同程度下的弯曲（0°，30°，60°，90°）变化.更重要的是，当手指保持在一定的角度时，电信号也保持稳定，说明传感器在信号传输过程中具有可靠性和准确性.将水凝胶黏附到手腕上，记录手腕进行不同速率弯曲时的电阻变化.图6（B）结果表明，随着手腕弯曲速度的加快，电信号呈现出从稀疏到密集的变化趋势，但峰值依然清晰，说明水凝胶对于人体不同速率的应变同样具有分辨能力.图6（C）示出了膝关节弯曲时的相对电阻变化，展示了水凝胶传感器可以准确监测膝关节的运动，进一步证实了水凝胶作为应变传感器的可行性.此外，我们还将水凝胶制作成笔状，发现其可以流畅地在智能手机屏幕上进行书写绘画，并且屏幕会快速显示出书写绘画的内容［图6（D）］，进一步拓宽了水凝胶的应用范围.

Fig.6 Human strain sensing by S5G15-A25 hydrogel sensor(A)Relative variations in resistance of S5G15-A25 hydrogel sensors when bent fingers at different angles(0°,30°,60°,and 90°);(B)relative resistance change curves of S5G15-A25 hydrogel on wrist at different bending speeds,respectively;(C)variation of the resistance of S5G15-A25 hydrogel sensors during knee-bending;(D)written with S5G15-A25 hydrogel as a touch screen pen.The insets demonstrated the states of the hydrogels that adhered on finger,wrist and knee during bending.

2.6 形状记忆性能

将S5G15预凝胶折叠后浸泡在浓度为25%的（NH4）2SO4溶液中，得到S5G15-A25水凝胶.在浸泡过程中，明胶与（NH4）2SO4作用产生Hofmeister效应，在明胶三重螺旋结构基础上形成疏水作用域，增强水凝胶的物理交联作用，稳定水凝胶形状.Hofmeister效应是一个可逆的过程，因此将S5G15-A25水凝胶浸泡在去离子水中，除去（NH4）2SO4后，Hofmeister效应消失，水凝胶逐步恢复初始的条状［图7（A）］.图7（B）为S5G15-A25水凝胶形状恢复百分率随在去离子水中浸泡时间的变化曲线，可以看出，在去离子水中浸泡30 min后，水凝胶的形状可以完全恢复，恢复率达到100%.

Fig.7 Shape-memory display of S5G15-A25 hydrogel(A)Shape memory process of hydrogels;(B)hydrogel shape memory recovery curve.

3 结 论

以酪蛋白酸钠和明胶为原料，通过Hofmeister效应辅助增韧，制备了一种导电的天然蛋白质基水凝胶，建立了一种制备高强度导电水凝胶的简便方法.选择天然蛋白质基材料，使水凝胶对环境友好.通过在盐溶液中浸泡引入的Hofmeister效应使天然蛋白质基水凝胶表现出优异的力学性能，包括拉伸应变（1375%）和拉伸应力（3.55 MPa）.Hofmeister效应引入的盐离子赋予了水凝胶优异的导电和传感性能.S5G15-A25水凝胶的最大电导率为0.0954 S/cm，导电灵敏因子为0.53.利用S5G15-A25水凝胶制作的传感器对不同大小及不同速率的应变均具有分辨能力，能够监测人体不同部位的运动.传感器的信号传输具有准确性和稳定性，表明S5G15-A25水凝胶是监测人体健康和运动的理想材料.并且，该水凝胶还具有良好的形状记忆性能.这种强韧导电水凝胶在生物医学及相关领域具有广阔的应用前景.