西南交大魯雄Chemistry of Materials封面文章：基于導電高分子納米纖維的透明導電水凝膠

【引言】

導電水凝膠因其高含水量及與人體軟組織相似的結構，被認為在生物醫學工程領域具有良好的應用前景，比如人體可穿戴傳感器、軟體機器人中。這對導電水凝膠又提出了新的要求—需要在導電的前提下，具有良好的透光性。但現有的已復合導電納米顆粒的導電水凝膠，無法在保持高的導電率和拉伸性的同時擁有光學透明度，導致其應用受限。而另一類離子導電凝膠，可能會在機體環境下導致離子滲出而不穩定。另外，現有的導電水凝膠導電水凝膠缺少合適的生物相容性與粘附性，限制了其在生物醫學工程領域的應用。

針對以上問題，西南交通大學魯雄教授課題組提出在在水凝膠網絡中原位形成導電高分子納米纖維的設計理念，采用親水性的聚多巴胺雜化導電聚吡咯，形成親水性導電納米復合物，再將高導電復合物與丙烯酰胺共聚，從而在水凝膠網絡中原位形成納米纖維，成功研制出兼具透明、導電、耐拉伸、自粘附性能的新型水凝膠材料。研究成果以“Transparent, Adhesive, and Conductive Hydrogel for Soft Bioelectronics Based on Light-Transmitting Polydopamine-Doped Polypyrrole Nanofibrils”為題，作為封面文章發表于2018年8月28日出版的 Chemistry of Materials 上。韓璐博士和閆力維博士生為文章共同第一作者。魯雄教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1透明，導電，可拉伸，自粘附水凝膠形成機理。

(a)親水聚多巴胺雜化聚吡咯（PDA?PPy）納米顆粒的制備。

(b) AM 單體、交聯劑、引發劑添加到 PDA?PPy納米顆粒預聚液中發生自由基聚合形成不透明水凝膠。放置3天后，水凝膠由不透明變透明。

(c)在水凝膠網絡中原位形成PDA?PPy導電納米纖維的原理。

(d) SEM圖像顯示在不透明水凝膠中，PDA?PPy在水凝膠中呈納米顆粒狀。

(e) SEM圖像顯示在透明水凝膠中的納米纖維結構。

(f) 透明水凝膠粘附在植物葉子上的照片

圖2 分子動力學計算PDA-PPy復合物的親水性。

(a, b) PPy與水相互作用前后狀態

(c, d) PDA?PPy 與水相互作用前后的狀態

(e, f) PPy與PDA-PPy系統中聚合物-水界面的原子分布

圖3 PDA?PPy?PAM水凝膠的透明性與紫外光屏蔽性。

(a) 水凝膠在納米纖維形成過程中的顏色變化。

(b) 水凝膠1天-3天變化后的紫外-可見光透射光譜。

(c) 含不同濃度PDA-PPy復合物的水凝膠照片。

(d) 含不同濃度PDA-PPy復合物的水凝膠的紫外-可見光透射光譜。

(e) 含不同濃度PDA-PPy復合物的水凝膠的紫外-可見光吸收光譜。

(f)水凝膠 粘附在老鼠背部動物實驗圖。

(g) H&E 染色證明PDA-PPy-PAM水凝膠具有紫外光屏蔽性能。

圖4 PDA?PPy?PAM水凝膠的導電性和自粘附性。

(a) 導電水凝膠能夠抵抗變形。

(b) 水凝膠能夠在反復拉伸過程中保持穩定的導電性。

(c) 原位形成的PDA-PPy納米纖維能夠提高水凝膠的導電性。

(d) PDA?PPy?PAM 與 PPy?PAM 水凝膠導電性對比。

(e) 不同含量的PDA-PPy-PAM水凝膠粘附強度比較。

(f) 水凝膠放置3天后，粘附強度未減弱。

圖5 ?PDA?PPy?PAM水凝膠力學性能。

?(a) 水凝膠可拉伸性、可壓縮性、回復性能展示。

?(b) 水凝膠拉伸應力-應變曲線。

?(c?e) 水凝膠拉伸比、拉伸強度、斷裂能。

?(f) 水凝膠循環拉伸加載-卸載曲線。

?(g) PDA?PPy 復合物在水凝膠中的結構變化引起的斷裂能增加。

圖6導電、透明、自粘附、生物相容性良好的水凝膠用于可穿戴器械展示。

?(a) 水凝膠作為應變傳感器，粘附在本文作者手腕、膝關節上監測人體運動。

?(b) 水凝膠作為自粘附電極用于監測人體肌電、心電信號。水凝膠良好的透明性可以清晰看到血管，利于操作。

?(c-d) 骨髓間充質干細胞與水凝膠共培養實驗證明水凝膠的生物相容性與細胞親和性。

【小結】

本研究提出了一種在水凝膠中原位生成導電納米纖維的設計思路，制備了具有高導電率、透明性、自粘附性與拉伸性能良好的導電高分子基水凝膠。該水凝膠中原位形成的聚多巴胺雜化聚吡咯導電納米纖維，具有良好的親水性，能夠與親水的聚合物網絡良好的結合，交織形成網絡結構，從而在水凝膠中形成完整的導電通路，賦予水凝膠優良的導電性能(12 S/m)。該納米纖維網絡，允許可見光穿透，使得該水凝膠具有良好透明性能(70%)。另外，這種網絡結構能夠在水凝膠形變中均勻分散應力，有效地弛豫外力和耗散能量，因此，水凝膠具有超高的拉伸形變能力(2000%)以及斷裂能(3000 J/m²)。此外，由于聚多巴胺-聚吡咯良好的紫外光吸收能力，使得導電水凝膠在保證透明的前提下，表現出良好的防紫外光的能力。體外動物實驗表明，在紫外光(30 mW/cm² , 365 nm)照射20 min后，老鼠的背部皮膚組織依然能保持無損。更重要的是，由于巧妙地引入了聚多巴胺的酚羥基功能團，導電水凝膠表現良好的組織粘附性。這種同時具有透明導電、自粘附性能的水凝膠能夠方便的，快捷的粘貼在人體皮膚表面，作為導電電極測量人體生理信號、記錄肢體運動信號，同時讓醫務人員方便的透過水凝膠觀測皮膚表面。該研究提出了全新的設計導電高分子基水凝膠，為研發新型導電水凝膠開拓了新的方向，促進了水凝膠臨床實際應用。

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