光医学、光学辅助成像、生理环境检测和生物传感，需要按需高效的光传输。光纤具有特殊的芯-鞘结构，可以有效减少光在不同介质界面传播时因光散射而造成的光损失，大大提高了实际应用中的能量利用率和选择性位点曝光几率。传统玻璃光纤具有优异的光传输效率，已广泛应用于信息通信、光学工程、生物医学内窥镜等领域。然而，在一些新兴应用中，例如光遗传学、光动力治疗和内部介入等，光纤需要沿着复杂的路径植入组织中。这就要求光纤必须柔软、湿滑且具有与软组织相近的机械性能。因此，迫切需要开发新一代柔性光纤来满足快速发展的应用需求。水凝胶具有柔软、湿滑的特性且已广泛应用于生物医疗等领域，但如何将其加工成具有芯-鞘双层结构的光纤以构建不同传播介质间的全反射界面仍是挑战。
近期，石河子大学贾鑫/中科院兰州化物所王晓龙团队合作提出采用一种基于氧化还原反应机理的催化自由基聚合方法通过原位生长实现具有芯-鞘异质结构的水凝胶光纤。如图1所示，将柠檬酸保护的Fe2+锚定在水凝胶纤维表面，然后触发原位生长水凝胶鞘层的表面自由基聚合，从而实现水凝胶纤维表面鞘层的原位快速生长。研究人员以双重氢键型超分子聚（N-丙烯酰甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶为例，构建了在不同体液环境下具有高度稳定性以及生物润滑、类组织模量、优异生物相容性的水凝胶光纤（PEGDA@PNAGA）。同时，该方法还被证实可用于制备多种不同材料组合的芯-鞘结构水凝胶光纤，以实现实际应用中所需的功能，例如更高的润滑性能、按需的折射率设计、快速药物释放等。
图1. 湿滑芯-鞘结构水凝胶光纤构筑策略以及不同的芯-鞘材料组合水凝胶光纤
该研究总结了芯-鞘水凝胶光纤的材料选择原则以及光源的入射角度与传播路径的关系，同时对材料体系进行表征分析，验证了材料体系选择的合理性（图2）。
图2. 芯-鞘结构水凝胶光纤的材料选择原则和光源入射角与传播路径的关系及本研究中材料的固有光学属性
芯-鞘结构水凝胶光纤在实际应用中还应考虑到器官曲率的变化。如图3所示，PEGDA@PNAGA光纤在高度弯曲状态下不同波段光源仍能通过水凝胶光纤有效传导，同时光源能够在水凝胶光纤的引导下在组织内部沿固定路径进行传播并有效穿透组织。同时光损失测试表明水凝胶光纤具有较低的光学损耗。
图3. PEGDA@PNAGA芯-鞘结构水凝胶光纤的光传导测试
PEGDA@PNAGA水凝胶光纤在不同的体液环境下表现出良好的稳定性（图4），其在整个测试周期中纤维直径和鞘层厚度均无明显变化。动态力学测试表明，PEGDA@PNAGA水凝胶光纤具有良好的类组织模量，约为100 kPa，显著低于传统玻璃光纤和弹性体基、水凝胶基光纤。同时摩擦测试表明，PEGDA@PNAGA水凝胶光纤与组织的最大摩擦阻力约为0.6 N，在不同体液环境中的平均摩擦系数均低于0.1。
图4. PEGDA@PNAGA水凝胶光纤的体液稳定性、类组织模量和生物润滑性
研究进一步评估了PEGDA@PNAGA水凝胶光纤的细胞毒性和血液相容性，如图5a-d所示的测试结果表明，水凝胶光纤具有良好的生物相容性和血液相容性，同时，水凝胶光纤植入后动物模型的细胞炎症因子和H&E染色结果表明PEGDA@PNAGA水凝胶光纤的植入并不会伴随严重的炎症反应，表明所制备的水凝胶光纤良好的生物相容性。
图5. PEGDA@PNAGA水凝胶光纤的生物相容性
相关工作由石河子大学和中科院兰州化物所合作完成，近期以“Slippery Core-Sheath Hydrogel Optical Fiber Built by Catalytically Triggered Interface Radical Polymerization”为题发表在Advanced Functional Materials上。在中科院兰州化物所联合培养的石河子大学化学化工学院硕士研究生朱彬为论文第一作者，石河子大学贾鑫教授、中科院兰州化物所蒋盼助理研究员（现法国Institut Jacques Monod 博士后）和王晓龙研究员为共同通讯作者。
文章信息：
Bin Zhu, Desheng Liu, Jiayu Wu, Caiye Meng, Xingxing Yang, Yixian Wang, Xin Jia*, Pan Jiang*, Xiaolong Wang *, Slippery Core-Sheath Hydrogel Optical Fiber Built by Catalytically Triggered Interface Radical Polymerization, Advanced Functional Materials 2024, 2309795.
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202309795
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