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  長期穩(wěn)定高效的人機界面交互及融合要求界面材料同時具備高電導(dǎo)率、優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的生物兼容性以及與人體組織匹配的力學(xué)性能。導(dǎo)電聚合物水凝膠是實現(xiàn)人體和生物電子設(shè)備完美兼容的理想界面材料之一，然而現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠很難兼顧滿足應(yīng)用需求的電學(xué)、力學(xué)、生物兼容性及穩(wěn)定性。

  近日，MIT趙選賀團隊提出形成穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物納米纖維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是獲得高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠的關(guān)鍵。團隊同時發(fā)明了一種簡單有效的方法，用來設(shè)計高性能聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)：聚(苯乙烯磺酸鹽) (PEDOT:PSS)水凝膠。所報道的純PEDOT:PSS水凝膠電導(dǎo)率可達40 S/cm，力學(xué)性能良好（拉伸率 35％，楊氏模量2 MPa），同時具有良好的電學(xué)、電化學(xué)及力學(xué)穩(wěn)定性。純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠的制備有助于加深人們對高性能導(dǎo)電水凝膠合理設(shè)計的理解，為新一代生物電子產(chǎn)品制作及應(yīng)用提供了更佳的材料平臺。

  人體與各種電器的交互和融合是現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最前沿問題之一。長期穩(wěn)定高效的人機界面有可能帶來對人體和生命前所未有的理解。目前商業(yè)化的生物電子設(shè)備大多是由金屬、硅、陶瓷、玻璃、塑料等組成的，在材料屬性及力學(xué)性能上與人體組織間的匹配性仍待提高。水凝膠具有與人體各個器官相似的力學(xué)和生理學(xué)特性；兼具電學(xué)、力學(xué)、生物功能的可控性和多樣性，是人機界面的最理想載體之一(更多詳情請見最新綜述：Hydrogel bioelectronics, Chemical Society Reviews, doi: 10.1039/C8CS00595H, 2018)。 然而，絕大多數(shù)水凝膠均為離子導(dǎo)電，且電導(dǎo)率一般低于1 S/m，嚴重限制了其在生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠很難同時兼顧滿足實際應(yīng)用需求的電學(xué)、力學(xué)、生物兼容性及穩(wěn)定性。開發(fā)性能優(yōu)異、高效且長期穩(wěn)定的水凝膠是目前人機界面交互及融合領(lǐng)域亟需解決的重要難題之一。

  麻省理工學(xué)院機械工程系趙選賀教授團隊與江西科技師范大學(xué)徐景坤教授課題組合作最新發(fā)表在Nature Communications上的研究論文（Pure PEDOT:PSS hydrogels, Nature Communications 2019, 10, 1043. Link: https://rdcu.be/bp4cy）報道了一種簡單有效的制備高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠的方法。該方法通過添加可揮發(fā)極性溶劑如DMSO等處理PEDOT:PSS水溶液，干燥淬火進一步增加PEDOT與PSS的相分離，使其產(chǎn)生分布均勻的納米纖維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而通過控制該結(jié)構(gòu)在水體系中的溶脹行為（主要為親水性PSS的溶脹）可獲得穩(wěn)定的純PEDOT:PSS水凝膠（圖1）。

圖1. PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)及純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠設(shè)計原理

  干燥過程監(jiān)測及溶脹行為研究發(fā)現(xiàn)，PEDOT:PSS的干燥過程直接影響其水凝膠的溶脹行為（圖2）。各向同性的干燥淬火過程（無力學(xué)約束條件）使PEDOT:PSS展現(xiàn)出各向同性的溶脹行為，而PEDOT:PSS溶液的各向異性干燥過程致使其產(chǎn)生厚度方向的單向溶脹。同時，研究發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS的溶脹行為也受到極性溶劑添加量以及溶脹體系離子濃度的影響。

圖2. PEDOT:PSS的干燥過程及溶脹行為研究

圖3. 純PEDOT:PSS水凝膠的力學(xué)、電學(xué)及電化學(xué)性能研究

  力學(xué)測試結(jié)果（圖3）表明純PEDOT:PSS水凝膠自支撐薄膜在磷酸緩沖鹽溶液（PBS）中的楊氏模量為2~10 MPa，與常用彈性體如PDMS等相當，比目前生物電子設(shè)備中應(yīng)用的傳統(tǒng)電極材料低6~9個數(shù)量級，與人體組織的力學(xué)匹配性大幅提高。PEDOT:PSS水凝膠的斷裂拉伸率可達40%，明顯高于干燥的PEDOT:PSS薄膜（10%），與人體組織的拉伸性能更為匹配，比如神經(jīng)組織（20%）、皮膚（50%）等。同時，PEDOT:PSS水凝膠具有很高的電導(dǎo)率，在去離子水中高達40 S/cm（PBS中20 S/cm），是目前水凝膠電導(dǎo)率的最高值之一。電極動力學(xué)研究顯示PEDOT:PSS水凝膠電化學(xué)活性良好，且穩(wěn)定性優(yōu)異，循環(huán)伏安掃描20000圈電活性仍能保持90%以上。電荷存儲（CSC）和注入容量（CIC）是生物電子應(yīng)用的重要參數(shù)，PEDOT:PSS水凝膠CSC值可達60 mC/cm²，CIC值為8.3 mC/cm²，能夠滿足腦機接口、人機接口電極傳感器等性能要求。整體上，純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠兼具高電導(dǎo)率、可拉伸性、低楊氏模量以及優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性（圖3），為實現(xiàn)高性能導(dǎo)電水凝膠的材料開發(fā)提供了新的設(shè)計思路。

圖4. 純PEDOT:PSS水凝膠的圖案化

  復(fù)雜幾何形狀的電極制作及圖案化是生物電子設(shè)備的關(guān)鍵步驟之一。PEDOT:PSS水凝膠制備工藝的簡便性使得導(dǎo)電水凝膠的復(fù)雜圖案化成為可能。作者利用墨水直接書寫方法打印出波狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS圖案（圖4），干燥淬火后可以分別制備出有基底支撐和自支撐的圖案，通過控制器溶脹過程獲得相應(yīng)的純PEDOT:PSS水凝膠圖案。這些水凝膠圖案展現(xiàn)出良好的柔性、穩(wěn)定性和基底附著力。

  該工作由麻省理工學(xué)院活性軟物質(zhì)研究室（MIT SAMS lab）和江西科技師范大學(xué)徐景坤教授課題組共同完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授以及Robert N. Noyce Career Development 教授。MIT博士后盧寶陽（江西科技師范大學(xué)副教授）和博士生Hyunwoo Yuk為該論文共同第一作者。

  論文鏈接：https://chemistrycommunity.nature.com/channels/1465-behind-the-paper/posts/44869-pure-pedot-pss-hydrogels