交变场驱动响应水凝胶的有序结构和力电耦合效应及对细胞行为的调控

Biomaterials with electric-mechanical coupling drived by alternating electric field has an important significance for tissue regeneration, induction control drug delivery and release, biological sensor and so on. Based on the mechanism and model of the polymer gel electric-mechanical coupling property in the constant field, we will design and build anisotropy nanocomposite hydrogels with one and two-dimensional array structure. By means of modifying the dielectric polarization and controlling the induced orientation of sol-gel, we will investigate the electric-mechanical coupling property in the alternating electric field. Besides, we will probe into the dielectric polarity, size, distribution, volume fraction, microstructure and other structural parameters, alternating electric field and force field parameters of different arrays nano-gel, to discuss the influence on the instantaneous deformation, stress and strain transmission, and the potential current change. Then we will reveal the response regularity and action mechanism of array hydrogel in the alternating field with force field-electric field-deformation. Furthermore, based on the research of the responsibility of the hydrogel in alternating force-electric field inside and outside body, we will research the effects and acceleration of the hydrogel on the morphology, activity, cell structure, build specific extracellular matrix of the myocardial cells, endothelial cells and nerve cells. This study will provide a new experimental method and theoretical basis for the preparation and application of the force-electric coupling nano-gel driving by the alternating field for the regeneration and reconstruction of the heart, blood vessels, muscle and nerve tissue with electrical and mechanical activity.

具有生理交变场驱动力电耦合响应的生物材料对组织再生修复、感应控制药物传输和释放、生物传感等有重要的意义。本项目依据高分子凝胶恒定场力电耦合的机理和模型，设计和构建具有离子化一维点阵和双极化二维阵列结构的各向异性纳米复合水凝胶，通过电介质的离子化、极化改性和凝胶诱导取向控制等，实现对交变场驱动响应的力电耦合特性，探讨不同阵列纳米凝胶的电介质极性、尺寸、分布、体积分数、微观形貌等结构参数，以及不同交变电场和力场参数对其瞬时形变、应力应变传递、电位电流变化的影响关系，揭示阵列水凝胶在交变场中力场-电场-形变的响应规律和作用机理；此外研究其在生理交变力-电场驱动下对心肌细胞、内皮细胞、神经细胞的形态、活性、细胞亚结构、特异细胞外基质构建等的调控和促进作用。该研究为新型交变场驱动力电耦合纳米凝胶的制备和表征，以及促进电-力活性的心脏、血管、神经等组织的再生修复和功能重建提供新的实验方法和理论依据。

具有生理交变场驱动力电耦合响应的生物材料对组织再生修复有重要的意义。本项目分别采用一维和二维纳米纤维/粒子调控，极化生物活性双亲分子接枝和表面改性，凝胶诱导取向控制等方法对高强度合成水凝胶，两性水凝胶，和天然纳米纤维素凝胶进行改性和结构性能调控，构建了系列具有导电性并对交变场驱动响应的力电耦合特性的纳米复合水凝胶体系； 系统研究了纳米碳，纳米纤维素等离子化和双极化改性，及其在凝胶化过程中进行有序化的诱导和控制，从而获得具有一维、二维有序各向异性结构和离子电子导电性水凝胶，并得到离子化和双极化基团的接枝率、体积分数，取向状态和取向度、含水量、孔隙率、孔隙分布，以及外加力场、电场的强度和方向等对交变场驱动响应水凝胶的特异力学特性-力电响应特性的协同作用响应规律和作用机理。此外研究其在生理交变力-电场驱动下对内皮细胞、神经细胞的形态、活性、细胞亚结构、特异细胞外基质构建等的调控和促进作用。实现了在交变电场下对成纤维细胞、内皮细胞，神经胶质细胞等具有力电响应和促进增殖分化的功能。其中有序化结构nf-BC/PVA水凝胶具有取向的微观结构和各向异性的力学性能, 以及优异的抗蠕变性及耐疲劳性；通过研究离子化碳纳米粒子-纳米纤维/ 水凝胶的宏观、细观（微区）及微观三个层面的力电响应性能和响应机理，提出了离子化一维和二维纳米材料的极性基团与生理环境的离子的浓差极化迁移和静电相互作用，是导致复合水凝胶实现交变场力电响应特性的关键因素。此外电刺激条件下，力电耦合响应的GO-OAA水凝胶的能够调控神经细胞的增殖和细胞骨架的定向排列，并对干细胞的神经方向分化有促进作用。MOBC/Arg凝胶可调控成纤维细胞和内皮细胞的增殖和迁移，I型胶原的表达，有利于促进创面修复和成血管化。该研究为新型交变场驱动力电耦合纳米凝胶的制备和表征，以及促进电-力活性的血管、神经皮肤创面等组织的再生修复和功能重建提供新的实验方法和理论依据。