彭爭春、張翊團隊AFM：基于MXene/PDA快速電沉積工藝的高性能生物電極

腦機接口研究迫切需要開發高性能、多功能的生物電極，用于健康監測、臨床診斷和精準治療等。理想的生物電子界面通常要求生物電極具有低界面阻抗、高電荷注入能力、長期穩定性和生物安全性。引入生物友好型納米材料以增加有效表面積和相應的電化學性能是近年來常用的生物電極表面處理策略之一，但該領域的研究活動主要聚焦在貴金屬材料和昂貴的制造工藝，嚴重限制了生物電極的規模化生產和普及應用。

MXene作為一類新型二維材料，自2011年被發現以來引起了廣泛的研究興趣，并逐步用于生物醫學領域。然而，MXene與基底的粘附強度普遍較低，因此，在大多數文獻報道中，通常將其作為摻雜成分之一，或作為導電油墨，然后通過滴涂、旋涂、印刷等方式加工成所需的電極。近年來，多個研究小組報道了在碳材料基底上原位沉積制備MXene薄膜電極，但主要針對電催化等工業應用，而采取快捷、溫和的工藝制備穩定性良好的MXene基生物電極鮮有報道。

近日，深圳大學彭爭春教授團隊與中國科學院深圳先進技術研究院張翊高工團隊聯合報道了一種快速電化學沉積MXene與聚多巴胺(PDA)復合材料的方法，為高性能生物電子界面提供了新思路，該工作結合了PDA的高粘附性、親水性和MXene的高比表面積、豐富官能團、類金屬導電性的優點。團隊采用循環伏安法首先在金屬襯底上沉積PDA粘附層，然后采用電泳沉積工藝在PDA層上制備MXene功能層。其中PDA粘附層增強了MXene與金屬襯底之間的附著力，并進一步提高了電極表面的親水性，利于功能化修飾。所得到的MXene基生物電極表現出優異的電化學、光熱、光電性能，以及較強的穩定性和生物相容性。該研究成果以“Fast Electrodeposition of MXene/PDA Composites for High-Performance Bioelectronic Interfaces: An In Vitro Evaluation”為題在線發表于Wiley材料領域頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。

多巴胺是一種仿生分子，在實際條件下，通過強氫鍵和π-π堆疊相互作用，可以聚合在不同的表面形成聚多巴胺（PDA）涂層，從而獲得更好的具有強粘附力的生物電子界面。因而，在襯底上引入一層PDA粘附層是制備出高性能MXene基生物電極的有效策略。

圖1 MXene/PDA復合電極的電沉積制備過程和機理。(a)-(c) MXene/PDA復合電極快速電沉積過程示意圖，包括在0.5 M H₂SO₄中進行電化學處理，在PBS中電化學聚合PDA粘附層，以及電泳沉積MXene功能層。相應的MXene電泳遷移示意圖如圖c(ii)所示；(d) PDA電化學聚合的反應機理。

優點一：MXene功能層與PDA粘附層的協同作用，包括復合材料的多孔性及MXene本身的高電導率和贗電容性能，可顯著降低神經電極界面阻抗（在低頻區優勢顯著，可降低~98%），并有效提升電極的電荷存儲能力（約為金屬電極的140倍）和電荷注入能力。因此，該生物電極為實現相同的刺激/記錄效果所需要能耗更低。此外，該生物電極在經過1億多次電脈沖刺激和1000次CV周期的連續電刺激后，仍表現出優異的電化學穩定性。

圖2 (a)不同電極（裸Pt、PDA、MXene、MXene/PDA）的方阻對比；(b)-(c)不同修飾電極在PBS溶液中的電化學阻抗性能；(d)-(e)不同修飾電極在PBS溶液中的電荷存儲能力和注入能力對比；(f)-(i) MXene/PDA復合電極的機械穩定性、電化學穩定性及樣品存放穩定性。

優點二：鑒于MXenes在近紅外（NIR）照射下具有優異的光熱性能，該團隊開發的生物電極具有高效且快速的光熱響應，且光熱反應前后的電極表面沒有明顯變化，展現出MXene/PDA復合材料與基底之間的高附著力和光熱穩定性。這為其在神經元電活動的光熱刺激及癌癥的光熱治療等領域的應用打下了堅實的基礎。

圖3 (a)用于研究電極光熱行為的實驗裝置示意圖；(b)在功率密度為2 W cm^?2的808 nm近紅外激光照射下，裸Pt、PDA、MXene、MXene/PDA復合電極的光熱響應曲線；(c)為(b)的前10s溫升線性曲線對比放大圖；(d)近紅外激光功率密度0.25~1.5 W cm^?2下MXene/PDA復合電極的溫度分布，插圖顯示了相應的光熱圖像；(e)激光照射300 s時MXene/PDA復合電極的升溫和降溫情況；(f) MXene/PDA復合電極6次激光ON/OFF周期的溫度-時間曲線；(g)MXene/PDA復合電極在不同時間間隔近紅外照射下的紅外熱像圖。

優點三：得益于光電子在MXene/PDA復合材料中的高效轉移，該生物電極還表現出優異的光電化學活性，其光電流響應度比金屬電極高出近40倍，且表現出優異的光電化學檢測性能。這對未來記錄神經信號、細胞活動等生物電子學應用具有重要價值。

圖4 (a)光電化學性能測量過程示意圖；(b)不同EPD時間下MXene/PDA復合電極在PBS中的光電流響應；(c)裸Pt、PDA和MXene/PDA復合電極的光電流響應；(d)-(e)6次激光ON/OFF周期下，MXene/PDA復合電極在不同時間間隔(Dt: 10~50 s)的光電流響應曲線。

圖5 MXene/PDA復合電極在不同濃度AA溶液中的電流-時間曲線：(a)無光照，(c)有光照；(b)和(c)分別為相應的線性擬合曲線

最大限度地減少潛在的細胞毒性和排異反應是實現長期可靠的生物電子接口的關鍵，特別是對于植入式電子設備。該工作通過神經元黏附試驗和細胞活力試驗，證實了MXene/PDA基生物電極具有良好的生物相容性，有望減輕神經系統并發癥。

圖6 電極在小鼠原代神經元上的生物相容性評價。(a) 新生小鼠神經元細胞提取及電極共培養示意圖；(b)-(c) 神經元在MXene/PDA復合電極表面培養24 h后的熒光圖像；(d) 使用CCK8活性測定法定量測定電極提取物培養后的神經元存活率，NS表示不顯著。

總結與展望：該研究工作提出了一種低成本、溫和的原位電化學制備方法（常溫常壓、低電壓、快速沉積），在襯底上獲得穩定可靠的MXene/PDA基生物電極，為構筑新一代多功能集成的高性能生物電子接口提供了新思路。MXene/PDA基生物電極出色的電化學性能（低阻抗、高電荷存儲/注入能力）和優異的光熱/光電、生物性能，使其在健康監測、臨床診斷和精準治療等領域具有廣闊的應用前景。值得一提的是，該電化學制備方法對不同襯底材料具備較強的普適性。團隊未來的研究將著眼于MXene/PDA基生物電極在體內的電生理性能和長期穩定性，以進一步提升其在腦機接口研究中的價值。