可发电水凝胶的机理研究与生物医学应用探索

Smart biomaterials are very promising in regenerative biomedical and tissue engineering fields as they can instruct cell proliferation, migration and differentiation, and induce directional repairing of tissues and organs. This project aims to design and prepare an electricity generating hydrogel with good electrical conductivity, biocompatibility and piezoelectric properties, in which mechanical energy (such as mechanical stress, ultrasonic, flow, etc) can transferred into electrical energy. Not only could it be used as a biocompatible and electrically conductive pathway, but also it works as a generator activated in a wireless fashion by means of physical stimuli, to supply an electrical stimulation in vivo to instruct cell behavior. In this project, scanning electrochemical microscopy (SECM) will be used to explore the mechanism of energy conversion in the hydrogel, cells sensing and responding to electrical stimulation. furthermore，we establish a standard system coupling electrical stimulation and cell culture in the hydrogel, to provide a solid scientific basis directing the applications of this novel hydrogel in regenerative biomedical and tissue engineering field.

智能化的生物材料可诱导细胞的定向行为与组织的程序化再生，在再生医学与组织工程领域具有非常好的应用前景。此项目将设计与制备导电性、生物相容性与压电性能兼具的可发电水凝胶。此种水凝胶可将机械能（机械应力、超声、液流等）转换为电能，这一设计突破传统的导电水凝胶的概念，使水凝胶不仅发挥“导线”的作用，还可发挥“发电机”的作用，从而远程无线的转换能量，产生感应电场来刺激细胞与组织，诱导细胞与组织的定向行为。本项目以电化学扫描显微镜为主要研究手段，探索此种水凝胶的能量转化机理，以及细胞在此水凝胶上感知与响应电信号的机制，进而建立细胞培养与电刺激耦合的系统规范体系，为可发电水凝胶在组织工程支架和可移植的生物医学器件的应用提供理论基础和科学依据。

智能化的生物材料可诱导细胞的定向行为与组织的程序化再生，在再生医学与组织工程领域具有非常好的应用前景。此项目将设计与制备导电性、生物相容性与压电性能兼具的可发电生物材料。此类生物材料可将机械能（机械应力、超声、液流等）转换为电能，这一设计突破传统的导电材料的概念，使其不仅发挥“导线”的作用，还可发挥“发电机”的作用，从而远程无线的转换能量，产生感应电场来刺激细胞与组织，诱导细胞与组织的定向行为。本项目已经构建了一系列的离子定向移动产电水凝胶、电磁感应水凝胶、压电弹性体、超疏水摩擦产电界面等。获得功能生物材料具有良好的自发电性能、良好生物相容性与高灵敏压电性，在生物组织工程支架与生物医用器件方面具有潜在应用。进而，以可发电生物材料为基质，探明细胞感知与响应电信号的机制，建立细胞培养与电刺激耦合的规范体系，我们已经建立了实验平台与系统，正在展开细胞实验与动物模型试验，这将为可发电生物材料在组织工程支架和可穿戴、可移植的生物医学器件的应用提供理论基础和科学依据。