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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性能。導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)有導電水凝膠很難兼顧滿足應(yīng)用需求的電學、力學、生物兼容性及穩(wěn)定性。

  近日，MIT趙選賀團隊提出形成穩(wěn)定的導電聚合物納米纖維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是獲得高性能導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水凝膠電導率可達40 S/cm，力學性能良好（拉伸率 35％，楊氏模量2 MPa），同時具有良好的電學、電化學及力學穩(wěn)定性。純PEDOT:PSS導電水凝膠的制備有助于加深人們對高性能導電水凝膠合理設(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和生理學特性；兼具電學、力學、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)水凝膠均為離子導電，且電導率一般低于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)有導電水凝膠很難同時兼顧滿足實際應(yīng)用需求的電學、力學、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。

  麻省理工學院機械工程系趙選賀教授團隊與江西科技師范大學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、電學及電化學性能研究

  力學測試結(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），是目前水凝膠電導率的最高值之一。電極動力學研究顯示PEDOT:PSS水凝膠電化學活性良好，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導電水凝膠兼具高電導率、可拉伸性、低楊氏模量以及優(yōu)異的力學和電學穩(wěn)定性（圖3），為實現(xiàn)高性能導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電水凝膠的復雜圖案化成為可能。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院活性軟物質(zhì)研究室（MIT SAMS lab）和江西科技師范大學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