麻省理工&江西科技師范Nat. Materials: 3D打印助力高性能導電聚合物水凝膠

一、【導讀】

導電性水凝膠由于其與生物組織的相似性（高含水量、柔軟度）和導電性的獨特結合，已成為生物電子界面傳統金屬電極的有前提的替代品。特別是，導電聚合物水凝膠（基于導電聚合物的導電水凝膠）與其他基于濃離子鹽、金屬（Ag、Au、Pt）或碳納米材料（碳納米管、石墨烯及其衍生物）的導電水凝膠相比，顯示出一系列優勢，包括良好的電性能、生理環境中的穩定性、生物相容性和完全有機特性。近年來，盡管最近在模擬生物組織的機械強韌性水凝膠方面取得了進展，但機械強韌性導電聚合物水凝膠的開發仍面臨著持續的挑戰。現有的硬導電聚合物水凝膠，通常是在堅韌的水凝膠基質中混合或聚合導電聚合物來制備的。然而，通過增加導電聚合物含量（純導電聚合物水凝膠）來實現高導電性的嘗試大大損害了水凝膠的機械性能，限制了它們作為生物電子界面的實用性。而生物電子界面需要同時具有良好的機械和電氣性能。此外，許多現有的導電聚合物水凝膠不適用于3D打印等先進的水凝膠制造技術，因此不適合制造生物電子器件。因此，合理設計和開發高導電性和機械性能導電聚合物水凝膠是當前該領域的關鍵研究之一。

二、【成果掠影】

近日，麻省理工學院Xuanhe Zhao, Hyunwoo Yuk,江西科技師范大學Baoyang Lu等人報告了一種雙連續導電聚合物水凝膠（BC-CPH）。BC-CPH同時實現高導電性、拉伸性和斷裂韌性，適用于相關的研究成果以“3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces”為題發表在Nature Materials上。

三、【核心創新點】

1、作者報告了一種雙連續導電聚合物水凝膠，在不犧牲其機械性能的情況下克服挑戰實現高導電性。BC-CPH可以很容易地從由電相和機械相組成的相分離油墨中制備，并允許使用各種先進的制造策略，包括旋轉涂層和靜電紡絲（低粘度油墨）以及微成型和3D打印（高粘度油墨）

?2、BC-CPH在生理環境中同時實現了高導電性（超過 11 S cm^-1）、拉伸性（超過400%）、斷裂韌性（超過 3300 J m^-2）、含水量（~80%) 和組織柔軟度（楊氏模量低于1 MPa）。

四、【數據概覽】

圖1 BC-CPH 的設計與實現。?2023 Springer Nature

圖2 BC-CPH 的電氣特性和穩定性。?2023 Springer Nature

圖3對不同制造方法的適用性。?2023 Springer Nature

圖4 全水凝膠生物電子界面。?2023 Springer Nature

圖5體內電生理記錄和刺激。?2023 Springer Nature

圖6體內生物相容性。?2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，作者提出的這種雙連續導電聚合物水凝膠解決了導電水凝膠的難題，BC-CPH為類組織生物電子界面提供了一種很有前途的材料。在BC-CPH的獨特優勢下，作者通過3D打印制備了單片全水凝膠生物電子界面，能夠長期高效地進行電生理刺激，并在大鼠模型中記錄多種組織和器官。這項工作可能為水凝膠生物電子學提供一個多功能的工具和平臺，不僅可以實現機器和生物系統之間更好和更快速的電接口，還可以在組織工程和再生醫學中廣泛應用BC-CPH，加快生物醫學的發展。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01569-2

本文由K . L撰稿。