透明导电性的电活性生物材料可以实现目标细胞及组织的实时培养观测及电刺激、光治疗等，是组织工程领域目前的研究热点之一。基于再生丝素蛋白（RSF）膜制备的电活性生物材料具有良好的力学性能、生物相容性、生物可降解性及基体透明性，在细胞培养和组织工程中具有广阔的应用前景。另一方面，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）水分散体是一种性能优异的有机导电涂料，已广泛应用于制备电活性生物材料。然而，通过传统的直接涂覆法难以使PEDOT:PSS在结构致密的RSF膜表面形成牢固的附着力。通过共混等手段又难以兼顾材料的导电性、透明性及生物相容性。
图1. 通过一步法制备的RSF/PEDOT:PSS膜应用于细胞电刺激培养及实时观测
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室的张耀鹏教授团队，基于RSF膜的后处理工艺及其在该过程中的蛋白构象转变，开发了一种简便、有效的通过PEDOT:PSS水分散体改性RSF薄膜的工艺方法，将PEDOT:PSS成功嵌入RSF膜基体表面，并形成连接紧密的导电层，克服了通过传统工艺所制材料的性能缺陷，成功制备了兼具良好导电性、透明性和稳定性（基底与导电层连接牢固）的RSF/PEDOT:PSS透明导电膜材料。相关研究成果日前发表于《美国化学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials &Interfaces) (One-Step Approach to Prepare Transparent Conductive Regenerated Silk Fibroin/ PEDOT:PSS Film for Electroactive Cell Culture)。论文第一作者为东华大学庄奥博士，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授、姚响副教授。东华大学博士生黄翔宇、范苏娜助理研究员、上海大学朱波教授为共同作者。该工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市学科带头人、上海市自然科学基金等经费的支持。
图2. RSF/PEDOT:PSS透明导电膜的结构构筑示意图
该研究将PEDOT:PSS水分散体与乙醇的混合体系作为改性环境，对初生RSF膜进行一步法浸泡改性。在该环境中，改性初期的初生RSF膜内分子构象以无规卷曲为主，并发生溶胀，而PEDOT:PSS的构象受到乙醇影响由卷曲变为链状，使得PEDOT:PSS分子逐渐插入RSF薄膜表面，同时RSF膜内分子构象亦受到乙醇影响逐渐变为致密的β-折叠构象并结晶，使插入的PEDOT:PSS被该致密化结晶结构包裹锁定，最终形成了稳定的表面具有RSF/PEDOT:PSS嵌入层的透明导电膜材料。
图3. 混合体系中乙醇体积占比对RSF/PEDOT:PSS膜性能的影响：（a）数码照片、(b) Rs和（c）紫外可见吸收光谱，图中的○代表平均值，误差条代表标准差（n=5）
研究表明，随着乙醇在混合体系中的体积占比增多，RSF分子链二级结构的转变速度加快，同时体系中PEDOT:PSS浓度的减小，结果导致RSF/PEDOT:PSS膜表面插入的导电高聚物减少，导电性降低，透明度增加。在乙醇体积占比为70 vol.%时，RSF/PEDOT:PSS膜具有最佳的综合性能，其表面方块电阻（Rs）为3833Ω/sq，电导率为1.003 S/cm，在可见光区的最大透过率超过80%，均明显优于通过化学聚合沉积改性方法制备的丝素蛋白导电膜。
图4. PC12细胞在RSF/PEDOT:PSS膜上的培养结果：不施加（a, b）和施加（c, d）电刺激时的细胞相差显微镜照片和活死染色荧光照片;（e）经电刺激后分化的细胞轴突长度分布；（f）施加和不施加电刺激时PC12细胞的相对基因表达比较（“***”:p < 0.001，“Δ”:p >0.05）。图中所有标尺代表50 μm
此外该RSF/PEDOT:PSS膜还表现出优良的电化学稳定性及导电层与基体间的粘附稳定性，无需进行PEDOT:PSS材料的常规二次掺杂处理，并具有明显的可降解性。随后，研究者还在RSF/PEDOT:PSS膜上培养嗜铬细胞瘤源性细胞株（PC12）并施加适当的电刺激。相关细胞形貌变化统计结果及细胞成神经分化特征性基因表达结果综合证实了基于该膜材料有效的电刺激-细胞成神经分化响应及细胞培养过程中良好的实时观察效果，证明了其在组织工程和生物医学领域中的应用潜力。近年来，课题组还发表了通过化学氧化聚合沉积法制备导电丝素蛋白膜的系列文章（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 (41), 35547-35556; ACSBiomater. Sci. Eng. 2021, 7 (3), 1202-1215），制备了系列丝素蛋白功能材料。与本研究工艺相比，使用化学氧化聚合沉积法制备的导电丝素蛋白膜因不含PSS聚电解质，具有更佳的生物相容性及细胞分化诱导能力，并具有额外的仿生表面结构拓展潜力；而本研究所开发工艺则具有更加简便高效的特点，同时所制备的导电丝素蛋白膜具有较前者更突出的导电性及透明性。两类材料均在组织工程领域具有良好的应用潜力，且根据不同的应用要求适用于不同细分领域。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c16855
来源：东华生物质材料成型与加工课题组