用于全水凝膠生物電子界面的3D可打印高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠

供稿人：谷雨洋、李驍 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

生物組織模型是藥物開發(fā)、再生醫(yī)學(xué)以及病理學(xué)等領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性研究工具，深層次的細(xì)胞組織機(jī)理、藥物評估模型研究離不開其內(nèi)部理化信息的實(shí)時(shí)穩(wěn)定獲取。導(dǎo)電水凝膠作為具有高度類組織特性的材料，在生物傳感領(lǐng)域得到越來越多的青睞，但如何解決其機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)電性能之間的相互制約難題，仍然是該領(lǐng)域揮之不去的挑戰(zhàn)。為此，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的趙選賀團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種雙連續(xù)的導(dǎo)電聚合物水凝膠，該水凝膠由作為導(dǎo)電相的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）和作為機(jī)械相的親水性聚氨酯制備而成[1]。隨著溶劑的蒸發(fā)，油墨中相分離出的機(jī)械相和導(dǎo)電相分別被壓成連續(xù)相（圖1a），從而與傳統(tǒng)的基于可溶于水的機(jī)械相聚合物（如聚乙烯醇，聚丙烯酰胺和聚丙烯酸等）的導(dǎo)電水凝膠相比，增強(qiáng)了各相的連續(xù)性，改善了電學(xué)和力學(xué)性能上的權(quán)衡沖突。從而能夠在生理環(huán)境中同時(shí)實(shí)現(xiàn)超過11 S cm−1的高電導(dǎo)率、超過400%的拉伸性以及超過3,300 J m−2的斷裂韌性，并且很容易適用于包括3D打印在內(nèi)的先進(jìn)制造方法。

該導(dǎo)電聚合物水凝膠具有良好穩(wěn)定性，即使在100%拉伸應(yīng)變下循環(huán)5000次，也能維持高電導(dǎo)率（圖1b）。此外，還具備超越鉑電極20倍的電荷儲存能力（圖1d，e）以及3倍以上的電荷注入能力（圖1f，g），即使在10000次充電和放電循環(huán)（圖1e）、1 M雙相電荷注入（圖1g）后仍保持良好的電學(xué)和力學(xué)特性。值得注意的是，圖1c的應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該導(dǎo)電聚合物水凝膠在50%中等應(yīng)變下對應(yīng)變不敏感，從而有利于減小力學(xué)干擾所帶來的信號影響。

圖1 具備良好力、電特性的雙連續(xù)導(dǎo)電聚合物水凝膠。（a）雙連續(xù)導(dǎo)電聚合物水凝膠形成機(jī)理。（b）導(dǎo)電聚合物水凝膠的機(jī)械循環(huán)以及電學(xué)穩(wěn)定特性。（c）拉伸應(yīng)變對導(dǎo)電水凝膠電學(xué)特性的影響。（d）Pt電極和導(dǎo)電水凝膠在第1次、第5,000次和第10,000次循環(huán)的電流密度與電位的關(guān)系圖。（e）Pt電極和導(dǎo)電水凝膠的電荷存儲量與循環(huán)伏安循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。（f）Pt電極和導(dǎo)電水凝膠在第1個和第100萬個周期的雙相輸入脈沖（上）和相應(yīng)的電流密度與時(shí)間的關(guān)系圖（下圖）。（g）鉑電極和導(dǎo)電水凝膠的電荷注入能力與電荷注入周期的關(guān)系

在此基礎(chǔ)上，他們結(jié)合可打印的生物粘合水凝膠，利用先進(jìn)的3D打印制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可以用于體內(nèi)電生理記錄和刺激的具有組織狀柔軟度和含水量的全水凝膠生物電子界面的制造（圖2a，b）。該生物電子界面的封裝層、黏附層以及傳感層均由水凝膠制造，在生物環(huán)境中具備與組織的高順應(yīng)性以及粘附性。進(jìn)一步地，利用該全水凝膠界面對大鼠心臟進(jìn)行了電生理記錄（圖2c-e），并用全水凝膠生物電子接口刺激了大鼠坐骨神經(jīng)（圖2f-j）和脊髓，以證明其長期的體內(nèi)生物電子接口能力。

圖2 用于體內(nèi)電生理記錄和刺激的全水凝膠生物電子界面。（a）全水凝膠生物電子界面的3D打印制造。（b）全水凝膠生物電子界面（導(dǎo)電聚合物水凝膠BC-CPH、絕緣和生物粘附水凝膠）、常規(guī)電極和封裝材料以及生物組織的楊氏模量與水含量的關(guān)系。（c-e）全水凝膠生物電子界面大鼠心臟記錄。（f-j）全水凝膠生物電子界面大鼠坐骨神經(jīng)刺激記錄

研究結(jié)果表明，具備高類組織器官特性的導(dǎo)電聚合物水凝膠在生物組織模型的實(shí)時(shí)監(jiān)測中極具發(fā)展?jié)摿�，能夠�(qū)崿F(xiàn)平臺與生物系統(tǒng)間更好的信號交互。這項(xiàng)報(bào)道中，作者通過解決導(dǎo)電水凝膠揮之不去的性能權(quán)衡難題，以及先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，為導(dǎo)電聚合物水凝膠在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的更廣泛應(yīng)用提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：
ZHOU T, YUK H, HU F, et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces [J]. Nat Mater, 2023, 22(7): 895-902.