用于生物医学应用的可视化应力传感材料：力致变色聚氨酯形状记忆聚合物的开发与性能研究

　　本综述系统探讨了将螺吡喃（SP）力致变色分子开关整合进聚氨酯（PUR）形状记忆聚合物（SMP）中的创新策略。文章详细阐述了该材料在机械力响应下发生的可逆颜色与荧光变化（即力致变色行为），及其在应力传感、信息处理和细菌生物膜检测（如金黄色葡萄球菌）等方面的巨大应用潜力，为开发新型智能生物传感器提供了重要的材料学基础。

　　

2 Experimental Section

2.1 Materials

研究所用材料包括六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、三乙二醇（TEG）、聚丙二醇（PPG，MW 2000 g mol^?1）、四氢呋喃（THF）、二月桂酸二丁基锡（DBTDL）催化剂等，均按指定购买并使用。

2.2 SP Synthesis

羟基螺吡喃（SP）的合成基于先前报道的方法优化而成。将2-羟乙基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚碘化物（5.17 g, 15.6 mmol）与2,3-二羟基-5-硝基苯甲醛（2.86 g, 15.6 mmol）溶于100 mL无水乙醇，加入哌啶（4.37 mL, 31.2 mmol）后，在100°C回流12小时，经浓缩和真空过滤后得到黑色粉末，产率为69%。

2.3 Segmented Thermoplastic PUR Synthesis

采用一步无溶剂法合成具有不同硬段比例的聚氨酯。将预先干燥的PPG和TEG与HDI混合，在水分控制的手套箱中加入DBTDL催化剂，经高速混合后倒入聚四氟乙烯模具中，50°C固化48小时。通过FTIR确认成功合成，特征峰为~3320 cm^?1（N-H伸缩振动）和~1677 cm^?1（NHCOO伸缩振动），且~2270 cm^?1处无峰值表明NCO完全反应。

2.4 Physical Crosslinking of SP Into PUR

将2 g预制的PUR溶于20 mL氯仿，加入不同量的SP（0.31, 0.63, 1.25和2.5 mg）溶解后，倒入聚四氟乙烯模具中挥发溶剂，形成15种不同的PUR-SP薄膜。薄膜在黑暗中储存，使用前暴露于白光下1小时以确保残留MC完全转化为SP形式。

2.5 Preparation of Bacteria Protease-Responsive PUR With SP (5HDI-PEP-SP)

在合成过程中引入Boc保护的聚谷氨酸（PGlu），通过FTIR确认在~1600 cm^?1处出现酰胺C=O峰。最后加入SP的THF溶液，获得含SP的5HDI-PEP，制成薄膜后避光保存。

2.6 Thermal, Mechanical and Shape Memory Properties

2.6.1 Thermal Analysis

使用DSC分析样品（n=3），加热程序包括从-10°C到120°C的多步温度变化。玻璃化转变温度（T_g）和熔点（T_m）分别从热谱图的拐点中点和吸热熔融峰的最低值确定。

2.6.2 Mechanical Analysis

使用Instron 3344万能测试仪器，以10 mm min^?1的应变速率对狗骨样本进行拉伸测试，直至断裂，从而得到杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率。

2.6.3 Shape Memory Properties

在TA Instruments Q800上以控制力模式进行测试，通过加热、应变、冷却和卸载步骤计算形状固定率（R_f）和形状恢复率（R_r）。计算公式为R_f = ε_u/ε_m(N) × 100% 和 R_r = [ε_m(N) - ε_p(N)]/[ε_m(N) - ε_p(N-1)] × 100%。

2.7 Cytocompatibility Assay

通过活/死细胞染色试验评估细胞相容性。将样品灭菌后置于Transwell插入物中，与A375细胞共培养24小时，使用钙黄绿素AM（绿色）和BOBO-3碘化物（红色）染色，荧光显微镜下观察并计算细胞存活率。

2.8 Analysis of Mechanochromic Behavior

2.8.1 Activation of SP by Manual Stretching and Heat-Based Recovery

狗骨样本在应变装置中加热至95°C并应变至30%–100%后冷却固定，通过相机和荧光显微镜成像，使用ImageJ量化荧光强度。

2.8.2 Activation of SP Under Tensile Testing

在Instron 3344上进行拉伸测试，在不同变形阶段卸载样本并拍摄荧光图像，分析SP激活的最小应变。

2.8.3 Ultraviolet–Visible Light Spectrophotometry

使用UV-vis分光光度计测量300–600 nm范围内的吸光度，分析应变和未应变样本的SP转化情况。

2.8.4 Dynamic Analysis of Mechanochromism

在DMA中执行形状记忆循环，并在各步骤中通过UV灯照射拍摄图像。通过共聚焦显微镜在加热台上观察应变样本的荧光变化。

2.9 Biofilm Removal Assay

将样本与金黄色葡萄球菌共培养24小时，通过SEM观察生物膜形成情况，并测量形状恢复率（R_r）。

2.10 In Vitro Release of SP From PUR-SP Films

将薄膜浸入PBS中，37°C振荡孵育192小时，定期取样并通过微孔板读数器在540 nm处测量SP释放浓度。

2.11 Statistical Analysis

所有数据以均值±标准差表示，采用非配对T检验比较两组数据，多组比较采用单因素ANOVA及Tukey-Kramer事后检验，p < 0.05视为显著。

3 Results and Discussion

3.1 Effect of SP Incorporation on Polymer Properties

3.1.1 Mechanical Properties

添加少量SP显著改善了PUR的机械性能。5HDI-SP样品的拉伸模量和拉伸强度随SP浓度增加而提高（p = 0.0002和p = 0.0052），断裂伸长率虽有所改善但不显著（p = 0.1435）。SP的加入通过氢键作用作为物理交联剂，增强了材料的弹性与强度。

3.1.2 Thermal Properties

DSC显示PUR-SP样品的T_g介于72°C至84°C，Tm介于89°C至93°C。SP的引入导致T_g显著升高（p ≤ 0.0001），仅6HDI-SP的Tm显著增加（p ≤ 0.0001）。SP的刚性螺环结构及其与聚合物链的氢键作用提高了材料刚性，但过高SP浓度会破坏微相分离结构，导致熔融焓（ΔE）变化。

3.1.3 Shape Memory Properties

DMA数据显示，添加SP并未负面影响形状记忆性能。纯PUR的R_f为0.77–0.83，R_r为0.94–0.96；PUR-SP的R_f为0.73–0.85，R_r为0.90–0.96。形状记忆效应由PUR软硬段的热性能驱动，SP的加入不影响其恢复能力。

3.1.4 Cytocompatibility

活/死细胞 assay显示，5HDI-PUR样本即使在高SP浓度下也表现出高细胞相容性，存活率达99% ± 0.2%，且细胞增殖未受抑制，表明材料具有良好的生物安全性。

3.2 Mechanochromic Behavior of PUR Films With SPs

3.2.1 Influence of Polymer Hard Segment on Mechanochromism

应变后的PUR-SP样本在环境光下未见颜色变化，但在UV光和荧光显微镜下亮度及荧光增强。5HDI-SP样本在UV光和白光下呈现由黄变粉的可见颜色变化，表明其聚合物基质为SP-MC转化提供了足够空间。4HDI-SP和6HDI-SP因基质极性差异未显示明显变色趋势。

3.2.2 Influence of Engineering Stress on Mechanochromism

5HDI-0.063% SP样本的拉伸测试显示，应变过程中荧光强度增加，尤其在塑性变形onset时显著升高，表明SP向MC转化。应变率实验表明，10 mm s^?1为SP激活的最佳条件。

3.2.3 Effect of SP Concentration on Mechanochromism

UV-vis吸收光谱显示，最大吸收峰位于410 nm（SP）和550 nm（MC）。应变后MC峰值增高，但受内滤效应影响，高SP浓度下荧光强度非线性增加。Beer-Lambert定律在此固态体系中并不完全适用。

3.2.4 Influence of Shape Memory Process on Mechanochromism

形状记忆循环中，应变固定后样本荧光增强，热恢复后荧光减弱，证实了力致变色行为的可逆性。共聚焦显微镜观察进一步验证了应变诱导的荧光增加及其在恢复过程中的减少。

3.3 Effect of Bacterial Protease-Responsive Shape Recovery on Mechanochromism

将SP引入细菌蛋白酶响应型PUR（5HDI-PEP）后，在与金黄色葡萄球菌的共培养中，应变样本发生形状恢复并伴随荧光减少，同时有效抑制了生物膜形成。SEM显示细菌响应型样本表面仅存在零星细菌，而对照组形成明显生物膜。SP释放实验表明，材料在生理条件下具有稳定性，50%–60%的SP从应变样本中释放，适用于长达7天的伤口监测应用。

4 Conclusions

本研究成功将SP集成到不同硬段比例的聚氨酯形状记忆聚合物中，制备出具有高T_g（>80°C）、优异形状记忆性能（R_f >73%, R_r >90%）和良好细胞相容性的力致变色材料。5HDI-SP表现出显著的光致变色与力致变色行为，并在细菌存在下实现形状恢复与荧光变化，展示了在生物膜清除和感染监测方面的应用潜力。