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研究背景和核心觀點
聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）因其生物相容性、固有的電子導電性和良好的加工性能，在生物電子學、電磁屏蔽和能源等相關系統中受到了廣泛關注。這種材料的生物相容性源于它在體內和體外多種細胞模型（包括血管、結構、免疫和神經系統）中的最小細胞毒性。然而，要將其應用于生物電子學，作為制備導電水凝膠的導電填料，還需要進一步提高導電性和生物相容性。本文立足于PEDOT: PSS的結構調控及結構與性能關系，開展了系統深入的研究。通過引入一種環保型極性添加劑-維生素C (VC)，對PEDOT: PSS進行了二次摻雜，同時增強 PEDOT: PSS的導電性和生物相容性。組裝的超級電容器具有良好的抗凝特性，可解決血栓形成、凝血風險和體內炎癥反應等問題。這種生態友好型二次摻雜策略可用于開發高導電性和生物相容性的可植入生物電子器件。該工作以“Vitamin C Secondary-Doped Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): Poly (Styrene Sulfonate) for Enhancing Conductivity and Biocompatibility for Implantation”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。第一作者為蘭州理工大學博士生王雨萌，通訊作者為冉奮教授。
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核心內容
1. PEDOT: PSS-VC的合成及其二次摻雜機理
圖1. PEDOT: PSS-VC的合成和摻雜機理圖。
作者采用經典的氧化聚合方法合成PEDOT: PSS 和 PEDOT: PSS-VC，EDOT 的單體被氧化成陽離子自由基（EDOT+），去除兩個質子并發生二聚化使其穩定。EDOT 二聚體的進一步被氧化促進鏈增長，在聚合過程中，帶有帶負電荷的磺酸基團的PSS補償正電荷或空穴，從而形成 PEDOT: PSS。二次摻雜過程中，VC中的多個羥基具有極性，與PSS通過氫鍵結合，去除多余未參與反應的非導電 PSS，最終形成VC二次摻雜 PEDOT: PSS-VC。進一步說明VC 二次摻雜 PEDOT: PSS的機理：PEDOT和PSS之間的庫侖吸引力以及 PSS 長鏈的靜電排斥力導致形成卷曲或核殼結構。大量的富PSS的非導電域包圍著富PEDOT的導電域，阻礙了連續導電通路的形成，導致材料的導電性差。VC 中的多個羥基賦予分子極性，能夠與PSS形成氫鍵，從而去除多余的不參與聚合的非導電PSS，屏蔽PEDOT和PSS的相互作用，促進了相分離，提高了富PEDOT導電域的連續性，從而增強了導電性。此外，VC對PEDOT: PSS內部庫侖作用力的屏蔽作用，可以增加PEDOT的結晶度，進一步提高導電性。
2. VC二次摻雜后PEDOT: PSS的結構變化
圖2. VC二次摻雜PEDOT: PSS對其結構的影響。
作者對VC二次摻雜前后的PEDOT: PSS進行了結構的分析和表征。FTIR光譜結果顯示VC摻雜后，除去了體系中部分不導電的PSS，有利于提高導電性。并且通過XRD譜圖說明PEDOT的結晶度的提高，通過Raman光譜分析VC摻雜后PEDOT的構象變化，由于PSS的部分去除，PEDOT的構象從螺旋線圈結構（1433 cm-1）更多的轉變為線性結構（1426 cm-1），導致電荷在PEDOT鏈上更加離域。通過XPS圖譜和zeta電位圖，進一步說明了體系中PSS的含量降低，VC二次摻雜后PSS的成功去除。通過SEM照片說明了VC二次摻雜后，PEDOT: PSS的團聚現象得到了明顯的改善，整體形貌由從致密態轉變為疏松態，引入含有豐富的親水性羥基官能團的VC有效提高了體系分散性。
3. PEDOT: PSS-VC的電化學性能
圖3. VC二次摻雜PEDOT: PSS對其電化學性能的影響。
詳細研究了PEDOT: PSS和PEDOT:PSS-VC的電化學性能，首先測試了兩種電極材料的電導率。由于VC的引入，PEDOT: PSS-VC的電導率（50 S cm-1）明顯高于PEDOT: PSS（14.3 S cm-1）。這主要歸功多羥基的VC，通過與PSS形成氫鍵，去除了未參加反應的多余不導電的PSS；屏蔽PEDOT和PSS的相互作用，促進相分離，增大連續的富PEDOT導電域，提高導電性。其次，VC的還原能力增加或提高了PEDOT體系中的電荷載流子數量和遷移率。進一步對PEDOT: PSS-VC電極材料進行了一系列電化學性能測試。測試結果表明VC摻雜PEDOT: PSS可以顯著提升其電化學性能。在0.5 A·g-1的電流密度下，PEDOT: PSS-VC的比容量為379.6 F·g-1。當能量密度分別為33.7和13.3 Wh·kg-1時，該電極材料的功率密度分別為200.0和400.0 W·kg-1。說明對PEDOT: PSS進行生物活性分子VC摻雜可以有效的提高其電導率及電化學活性。
圖4. PEDOT: PSS-VC基可植入超級電容器的電化學性能。
作者組裝了可植入式超級電容器，并在無封裝的開放模擬體液（PBS）環境中測試了PEDOT: PSS-VC基超級電容器的電化學性能。當電流密度為0.5和1.0 mA·cm-2時，面積比電容分別為17.1和26.4 mF·cm-2，電容保持為64.8%。超級電容器在4, 000次循環后的容量保持率高達92.5%，且不同循環下的充放電曲線形狀高度一致，進一步證實了PEDOT: PSS-VC基超級電容器具有出色的電化學性能。
4. PEDOT: PSS-VC的生物相容性
圖5. PEDOT.PSS-VC基可植入超級電容器的生物相容性。
為評價可植入超級電容器的生物相容性，作者進行了體外和體內的表征。所制備的超級電容器的溶血速率為0.45%（小于5%），植入人體不會引起溶血。將PEDOT: PSS-VC基超級電容器植入小鼠體內，評估其長期穩定性、生物相容性和體內血液相容性，特別是抗凝性能。在植入該器件第15天后取出設備時，超級電容器表面與小鼠組織之間沒有明顯的粘附，設備的形狀和外觀與植入前保持高度一致，這表明該超級電容器具有優異的生物相容性和突出的長期穩定性。分別對空白對照組和植入超級電容器后第15天的小鼠進行血液學和組織分析，這些病理分析再次證實了PEDOT: PSS-VC基超級電容器，在植入后具有長期穩定的生物相容性和血液相容性，為植入式儲能器件的廣泛應用提供了無限可能。
文獻詳情
Vitamin C Secondary-Doped Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): Poly (Styrene Sulfonate) for Enhancing Conductivity and Biocompatibility for Implantation
Yumeng Wang, Xiangya Wang, Meimei Yu, Zhijiang Sun, Rui Liu, Suting Zhou, Yuxia Zhang, Fen Ran*
Citation: Adv. Funct Mater. 2025, 2503153.
https://doi.org/10.1002/adfm.202503153
作者簡介
第一作者介紹：
王雨萌，在讀博士生。2017年武漢工程大學無機非金屬材料與工程專業本科；2023年在蘭州理工大學材料與化工專業碩士學位；2023年至今，在蘭州理工大學材料科學與工程學院（有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室）攻讀材料學博士學位。主要研究方向為功能性可植入儲能材料與器件。在Advanced Functional Materials、Langmuir等期刊上發表學術論文。
通訊作者介紹：
冉奮，教授/博士生導師，2022~2024年度科睿唯安全球“高被引學者”，F在蘭州理工大學儲能研究院從事教學與科研工作。課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/ran。
