供稿人:韓康 賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-06-14
導(dǎo)電聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)，由于其良好的電氣和機(jī)械性能，已經(jīng)在傳感和刺激生物組織領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而現(xiàn)有的方法大多是將PEDOT:PSS和其他成分（如非導(dǎo)電聚合物）進(jìn)行共混，但這會(huì)降低所得水凝膠的機(jī)械或電氣性能。麻省理工學(xué)院的Xuanhe Zhao教授團(tuán)隊(duì)提出一種通過設(shè)計(jì)PEDOT：PSS納米原纖維的互連網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而產(chǎn)生高性能的PEDOT：PSS水凝膠的方法。所得的純PEDOT:PSS水凝膠表現(xiàn)出一系列適用于生物電子領(lǐng)域的特性，包括高電導(dǎo)率（PBS中約為20 S/cm，去離子水中約為40 S/cm），高拉伸性（> 35％應(yīng)變），低楊氏模量 （~2 MPa），優(yōu)異的機(jī)械，電氣和電化學(xué)穩(wěn)定性，以及在潮濕生理環(huán)境中可調(diào)的各向同性/各向異性溶脹。
在眾多組織工程材料中，水凝膠因其獨(dú)特的類組織機(jī)械性能、富水性、優(yōu)越的生物相容性以及在設(shè)計(jì)性能方面的靈活性和多功能性而被認(rèn)為是理想的生物組織界面材料。然而，傳統(tǒng)的水凝膠在生理?xiàng)l件下離子電導(dǎo)率非常低（比金屬電導(dǎo)率低6-9個(gè)數(shù)量級(jí)）。與常規(guī)水凝膠不同，導(dǎo)電聚合物水凝膠PEDOT:PSS具有電子和離子導(dǎo)電性，使其成為水凝膠生物電子學(xué)新興領(lǐng)域中最有前途的材料之一。Xuanhe Zhao教授團(tuán)隊(duì)將揮發(fā)性添加劑二甲基亞砜（DMSO）混合到PEDOT：PSS水溶液中，然后進(jìn)行可控的干燥退火和再水化，得到高性能的純PEDOT:PSS水凝膠材料，用于復(fù)雜圖案的可控制備，如圖一所示。
圖一 純PEDOT:PSS水凝膠制備示意圖：(a)PEDOT, PSS, DMSO化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b)不含DMSO的PEDOT:PSS干燥與溶脹工藝；(c)含DMSO的PEDOT:PSS的干燥退火與溶脹工藝
電極圖案化是制造生物電子器件的關(guān)鍵步驟。為了證明純PEDOT:PSS水凝膠具有制備復(fù)雜幾何圖形的能力，Xuanhe Zhao教授團(tuán)隊(duì)將添加了DMSO的PEDOT：PSS水溶液打印到基底上，制備了分辨率為400μm波浪狀網(wǎng)格。打印結(jié)束后，在基底的機(jī)械約束下對(duì)復(fù)雜圖案進(jìn)行干燥退火，并在濕潤(rùn)的環(huán)境下再水化獲得純PEDOT:PSS水凝膠。如圖二所示，可以將純PEDOT：PSS水凝膠圖案從低粘附力的基底（聚丙烯和聚二甲基硅氧烷）上剝離制成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，也可以通過在高粘附力的基底上進(jìn)行圖案化（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）將其制成堅(jiān)固的層壓板。
圖二 純PEDOT:PSS水凝膠圖案：(a) PET基底上圖案化的PEDOT:PSS溶液。(b) 獨(dú)立的純PEDOT:PSS水凝膠可以在PBS剝離制備; (c)純PEDOT：PSS水凝膠圖案的堅(jiān)固層壓板
該研究提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法用于制備了高性能的純PEDOT:PSS水凝膠，同時(shí)進(jìn)一步證明了所提出的方法可以穩(wěn)定的將導(dǎo)電水凝膠制備為復(fù)雜的幾何形狀和各種形狀因子。 當(dāng)前研究不僅解決了高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠開發(fā)中的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，而且為下一代水凝膠生物電子器件和應(yīng)用提供了有希望的新途徑。