针对这一难题，东南大学付大伟教授、 项力副教授团队提出了一种溶剂交换辅助的原位结晶策略。该研究将可聚合的甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝牛血清白蛋白（B-G）大分子单体引入聚丙烯酰胺（PAM）网络，并利用氯化胆碱/山梨醇低共熔溶剂（DES）处理，成功诱导三甘氨酸硫酸盐（TGS）在凝胶基质中原位结晶并形成优先取向。所得凝胶集超拉伸性、抗疲劳性、组织匹配模量和优异压电性于一体，展现出在柔性生物电子界面上的广阔应用前景。相关论文以“Ultrastretchable, Tissue-Matched Piezoelectric Gel with Preferentially Oriented Molecular Ferroelectric Crystallization”为题，发表在JACS上。

研究团队首先通过胺-环氧开环反应合成了B-G（图1a），并将其共价整合到PAM网络中，同时利用B-G与PAM之间的可逆氢键实现能量耗散（图1b）。随后，通过DES溶剂交换触发TGS在凝胶内原位结晶，山梨醇选择性吸附于TGS极性面，诱导形成(0k0)织构（图1c）。这种网络与结晶的联合设计使凝胶能够承受约2800%的拉伸应变而不断裂（图1h,i），并在机械负载下产生清晰的压电输出（图1f），同时保持与软组织相匹配的机械顺应性（图1g）。

图1. PAM/B-G/TGS压电凝胶的设计、制备和关键特性。(A) 通过胺-环氧开环反应合成B-G。(B) 紫外光引发的凝胶形成以及B-G与PAM之间的共价和可逆相互作用。(C) DES诱导的TGS原位结晶和(0k0)优先取向。(D) 凝胶的柔韧性和可恢复性。(E) 聚合物网络中优先取向的TGS晶体。(F) 机械负载下的压电响应。(G) 高机械顺应性和组织匹配的模量。(H, I) 凝胶在拉伸至约2800%应变前后的照片。

为揭示TGS的优先结晶机制，研究团队通过XRD表征证实了凝胶中TGS的(040)反射显著增强，表明形成了明显的(0k0)晶体织构（图2b）。DFT计算进一步表明，山梨醇在TGS极性(010)面具有最强的吸附能（−2.15 eV）（图2f），通过多重氢键选择性吸附于该晶面（图2d,g,h），改变了不同晶面的相对生长速率，从而在宏观上诱导了优先取向。此外，样品的几何形状也对最终织构程度有显著影响，薄板状样品更有利于溶剂交换和取向形成。

图2. PAM/B-G基质中TGS优先结晶的结构表征和机制。(A) PAM/B-G/TGS的SEM图像以及相应的C、N、O和S元素映射。(B) 模拟TGS、TGS粉末、PAM/B-G/TGS和PAM/B-G的XRD图谱。(C) 经乙酸乙酯、乙醇、DMF、直接水蒸发和DES处理的样品的XRD图谱。(D, G) 山梨醇在TGS (001)、(100)、(011)、(110)和(010)表面上的优化吸附构型。(E) PAM/B-G/TGS压电凝胶的极化-电场（P-E）电滞回线。(F) 计算得到的山梨醇在不同TGS表面上的结合能。(H) 相应吸附构型的平均氢键距离。(I) DES处理过程中TGS结晶的时间依赖性照片。(J) 凝胶的三维有限元模型。(K) 凝胶内结晶度的模拟空间演化。(L) 从代表性位置提取的结晶度-时间曲线。

力学测试表明，该凝胶具有约2800%的断裂伸长率（图3b），是未改性BSA凝胶的五倍。在10000次加载-卸载循环后，凝胶网络仍保持机械稳定，未出现明显结构破坏（图3e）。XPS和FTIR结果证实了B-G的成功合成（图3f-i），且蛋白质骨架在功能化过程中得以保留。这种共价网络与动态氢键的协同作用，赋予了凝胶优异的抗疲劳性和可恢复性（图3e,l-n）。

图3. PAM/B-G/TGS凝胶的力学性能和分子相互作用。(A) 展示PAM/B-G/TGS拉伸、扭曲、打结和折叠的照片。(B) 与代表性压电凝胶的断裂伸长率比较。(C) 不同PAM:TGS质量比下的拉伸应力-应变曲线。(D) 加载和卸载过程中L₀和Lₙ的示意图定义。(E) 在50%应变下10000次循环的归一化恢复率。(F) BSA和B-G的XPS测量光谱。(G, H) BSA的高分辨率C 1s和N 1s光谱。(I) GMA、B-G和BSA的FTIR光谱。(J, K) B-G的高分辨率C 1s和N 1s光谱。(L) PAM/B-G/TGS在加热和随后的冷却过程中的变温FTIR光谱。(M) 储能模量和损耗模量随剪切应力的变化。(N) 储能模量和损耗模量随角频率的变化。

在压电性能方面，当TGS含量为42.8 wt%时，凝胶的d₃₃系数达到最大值22 pC N⁻¹（图4n）。该器件能够快速响应机械刺激（图4d），并在0%至120%的应变范围内保持稳定的电压输出（图4m），成功监测了人体不同关节的弯曲运动以及声带振动（图4g-k）。经过4000次循环测试，压电信号未见明显衰减，展现出优异的稳定性（图4l）。

图4. PAM/B-G/TGS复合压电凝胶薄膜的压电性能表征。(A) 不同TGS含量下的压电电压信号。(B) 不同施加压力下的压电电压信号。(C) 压电电压随施加压力变化的拟合曲线。(D) 响应时间和恢复时间。(E) 压电测试平台的示意图。(F) 压电设备的照片和示意图。(G) 不同说话词语期间声带振动对应的压电电压信号。(H) 肘部弯曲30°、60°和90°时的压电电压信号。(I) 指关节弯曲30°、60°和90°时的压电电压信号。(J) 手腕弯曲30°、60°和90°时的压电电压信号。(K) 膝盖弯曲30°、60°和90°时的压电电压信号。(L) 4000次循环中的压电电压稳定性。(M) 不同应变水平（0%–200%）下的压电电压信号。(N) 不同TGS含量薄膜的d₃₃系数。

体外和体内实验系统评估了该材料的生物相容性。细胞实验中，A293T细胞存活率接近或超过100%，AC16细胞存活率保持在90%以上（图5a-d），主要脏器H&E染色未显示明显的组织坏死或炎症浸润（图5g）。将封装的凝胶器件贴附于大鼠肺表面（图5h），在呼吸引起的周期性变形下，器件能够稳定记录电压信号（图5i,j），且信号幅度随潮气量和呼吸频率的变化而变化，证明了其作为可植入柔性压电传感器的潜力。

图5. PAM/B-G/TGS的生物相容性和体内机电评估。(A) 与PAM/B-G/TGS孵育0、24和48小时后A293T细胞的活力。(B) 对照组和干预组中A293T细胞的相对增殖。(C) 与PAM/B-G/TGS孵育0、24和48小时后AC16细胞的活力。(D) 对照组和干预组中AC16细胞的相对增殖。(E) 培养48小时后对照组、PAM/B-G组和PAM/B-G/TGS组细胞的活/死荧光图像。绿色和红色荧光分别对应活细胞和死细胞。(F) 使用PAM/B-G/TGS生理盐水提取物进行体内全身生物相容性评估的示意图。(G) 对照组和PAM/B-G/TGS组心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的H&E染色切片。(H) 将PAM/B-G/TGS器件放置在大鼠肺表面的体内机电测量装置示意图。(I) 在固定呼吸频率90 min⁻¹和潮气量1.0–3.0 mL下记录的电压响应。(J) 在固定潮气量2.0 mL和呼吸频率80–120 min⁻¹下记录的电压响应。

综上所述，该研究通过耦合分子设计和结晶调控，成功调和了凝胶的机械柔软性与分子铁电压电性所需的结构有序性。GMA功能化结合溶剂交换策略，不仅实现了TGS的优先取向结晶，还赋予了材料组织匹配的力学性能和稳定的压电输出。这一工作为开发用于组织匹配生物界面的高性能柔性压电凝胶提供了有效的分子层面设计框架。