導電聚合物水凝膠生物粘附界面(CPH-EBI)在生物醫療設備、神經界面和可穿戴電子等多個領域都具有廣闊的應用前景。然而,目前導電聚合物水凝膠生物粘附界面存在電學/力學/電化學/生物相容性等綜合性能不足,且其加工制造技術主要依靠澆鑄、模具塑形、注射成型等方法,面臨圖案化加工與器件集成困難等技術問題,限制了其定制化、生物電子實際應用、產品/商業化。
近日,江西科技師范大學盧寶陽/徐景坤團隊通過將導電聚合物PEDOT:PSS和粘附性離子型大分子摻雜劑引入到強韌的水凝膠前體液中混合制備了可3D打印導電聚合物墨水,通過3D打印技術輕松實現了其高分辨率、可編程圖案化加工,打印后循環凍融形成高性能CPH-EBI。通過該策略制備的CPH-EBI同步展現出高電導率1.2 S m-1、低界面阻抗20 Ω、高拉伸性>349%、優異韌性109 kJ m-3,且可與多種基底材料牢固粘附。基于這些性能優勢,團隊采用一體化多材料3D打印技術制作了CPH-EBI基可拉伸皮膚電極,實現了對人體ECG、EMG信號的高精度檢測(信噪比約為商業化皮膚電極的1.5倍)。這項工作為高性能導電生物粘附界面的設計開發提供了新的途徑。該工作以“3D Printing of Robust High-Performance Conducting Polymer Hydrogel-Based Electrical Bioadhesive Interface for Soft Bioelectronics”為題發表在《Small》上。
理想的CPH-EBI通常需要具備以下特性:(1) 高導電性和低界面阻抗,使電信號在組織和電子元件之間有效通信;(2) 類組織的機械柔軟性和伸展性,防止不良的組織免疫反應(如炎癥)并滿足組織的應變范圍;(3) 穩定高效的組織粘附性,可在動態環境下與組織表面無縫而牢固地接觸,實現更佳的共形效果;(4) 優異的生物兼容性,對生物組織無害、不會引起排斥反應;(5) 可編程的圖案化加工與優異器件集成能力,能方便地集成到生物電子設備/系統中。
高性能CPH-EBI的設計與制備:
圖1 CPH-EBI及其前體墨水的設計制備
3D打印CPH-EBI的電學與力學性能:
圖2 3D打印圖案化CPH-EBI
3D打印CPH-EBI的粘附性能:
圖3 3D打印CPH-EBI電學與粘附性能
3D打印CPH-EBI的電化學性能和長期穩定性:
圖4 CPH-EBI的電化學性能和長期穩定性
3D打印CPH-EBI的生物相容性:
圖5 CPH-EBI生物相容性
CPH-EBI可拉伸皮膚電極的制作及其電生理信號記錄:
圖6 CPH-EBI可拉伸皮膚電極制備及其電生理信號記錄
綜上所述,該團隊通過將導電聚合物PEDOT:PSS和離子型大分子粘合劑PSBMA引入到強韌中PVA水凝膠前體溶液中,開發出一種新型CPH-EBI前體墨水。制備的前體墨水展示出優異的3D打印性,且可循環凍融成功轉化為具有優異電學、力學和生物相容性的CPH-EBI。基于CPH-EBI制作的可拉伸皮膚電展現出優于商業肌電極的電生理信號記錄能力。這項工作為解決目前導電生物粘附界面綜合性能不足提供了一種新的設計策略,還為基于導電生物粘附界面的電子器件/可穿戴設備設計及加工制造提供了一條新途徑。
原文鏈接:
Jiawen Yu?, Rongtai Wan?, Fajuan Tian?, Jie Cao, Wen Wang, Qi Liu, Hanjun Yang, Jingcheng Liu, Ximei Liu, Tao Lin, Jingkun Xu*, Baoyang Lu*, 3D printing of robust high-performance conducting polymer hydrogel-based electrical bioadhesive interface for soft bioelectronics. Small, 2023, 2308778.
https://doi.org/10.1002/smll.202308778
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