自然植物为医疗保健提供了丰富的材料来源，但其中许多潜在价值常被忽视，尤其是在被认为是“废物”的部分，例如，植物的外壳（如坚果壳）通常被丢弃。这些生物活性成分具有生物相容性、可生物降解性、药用潜力和成本效益等优点，使其在药物发现、组织工程、皮肤护理和医疗电子等领域具有广阔的应用前景。然而，将这些植物废弃物转化为具有生物活性的材料的方法仍然有限，尤其是在可持续性和成本效益方面。
基于此，
来自美国芝加哥大学的田博之教授团队
研究聚焦于胖大海（PDH）果壳，将其外壳废弃物转化为具有生物活性的水凝胶（图1A）。通过一种可持续的提取方法，研究者们从胖大海外壳中分离出多糖，并通过静电交联的方式与壳聚糖结合，开发出一种具有黏弹性的水凝胶。
这种水凝胶不仅表现出良好的生物相容性，还能加速伤口愈合，促进角质形成细胞的迁移。此外，该水凝胶在生物电子学领域也展现出巨大潜力，其作为皮肤贴附式电极材料用于心电图（ECG）记录时，信号信噪比优于商业ECG贴片，并且在体内心外膜ECG记录中表现出稳定的性能。
相关研究成果以
“Sustainable conversion of husk into viscoelastic hydrogels for value-added biomedical applications”
为题于2025年2月17日发表在
《Matter》
上。
1.PDH的结构和性能
作者首先对PDH的内部结构和膨胀动力学特性进行了说明。通过micro-CT和SEM，发现PDH果内部由空心果核和多层同心排列的多糖胶组成，其间夹杂着植物纤维（图1B-D）。当PDH果浸泡在水中时，其多糖胶层会迅速吸收水分并膨胀，而木质纤维则保持不膨胀，形成自然的相分离（图1F）。这种膨胀过程在约30分钟内完成，膨胀比可达20倍，远高于其他常见膨胀植物组织（图1G）。此外，作者通过二阶扩散动力学模型拟合PDH的膨胀数据，验证了该模型在描述PDH膨胀行为方面的有效性（图1H-I）。
图1 PDH的结构和肿胀动力学
2.PDH凝胶和PDH-壳聚糖复合材料的制造和表征
作者在此部分描述了PDH水凝胶及其与壳聚糖复合材料的制备和表征。
首先，通过将浸泡后的PDH果胶部分均质化、离心去除纤维杂质，并通过冷冻干燥制备出PDH多糖泡沫。这种泡沫在重新水化后形成黏弹性水凝胶，SEM显示出多孔的微观结构（图2C）。为了增强水凝胶的机械性能，作者进一步通过静电交联将其与壳聚糖结合，形成PDH-壳聚糖复合材料。该复合材料的结构同样通过SEM表征，显示出更致密且多孔的结构（图2E）。FTIR表明PDH的羧基与壳聚糖的氨基之间发生了相互作用（图2F）。力学性能测试显示，PDH-壳聚糖复合材料的储能模量和应变显著提高，分别比纯PDH凝胶提高了约20倍和17倍（图2G）。
综上，PDH-壳聚糖复合材料不仅具有优良的生物相容性，还通过增强的机械性能和黏弹性，使其在伤口敷料和生物电子学应用中展现出巨大潜力。
图2 纯PDH多糖和PDH-壳聚糖水凝胶复合材料的制造和表征
此外，作者还描述了PDH凝胶及其与壳聚糖复合材料的制备过程和资源消耗分析（图3）。图3A展示了从PDH种子提取纯PDH泡沫用于心电图（ECG）记录的制备流程，详细列出了各步骤中所使用的材料和能源，并以百分比形式展示了每种资源在总成本中的占比，其中电力消耗占据了大部分成本，尤其是冷冻干燥过程。图3B则展示了PDH-壳聚糖复合材料用于伤口敷料的制备过程，同样分析了材料和能源的使用情况，指出壳聚糖是该复合材料的主要成本来源。
通过这些分析，作者指出了优化制备过程以降低成本的潜在机会，例如改进冷冻干燥工艺或寻找更经济的壳聚糖来源。
