用于全水凝膠生物電子界面的3D可打印高性能導電聚合物水凝膠
時間：2024-05-27 09:31 來源：西安交通大學 作者：谷雨洋、李驍 閱讀：次
供稿人：谷雨洋、李驍 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
生物組織模型是藥物開發、再生醫學以及病理學等領域中的基礎性研究工具，深層次的細胞組織機理、藥物評估模型研究離不開其內部理化信息的實時穩定獲取。導電水凝膠作為具有高度類組織特性的材料，在生物傳感領域得到越來越多的青睞，但如何解決其機械強度與導電性能之間的相互制約難題，仍然是該領域揮之不去的挑戰。為此，麻省理工學院機械工程系的趙選賀團隊報告了一種雙連續的導電聚合物水凝膠，該水凝膠由作為導電相的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）和作為機械相的親水性聚氨酯制備而成[1]。隨著溶劑的蒸發，油墨中相分離出的機械相和導電相分別被壓成連續相（圖1a），從而與傳統的基于可溶于水的機械相聚合物（如聚乙烯醇，聚丙烯酰胺和聚丙烯酸等）的導電水凝膠相比，增強了各相的連續性，改善了電學和力學性能上的權衡沖突。從而能夠在生理環境中同時實現超過11 S cm−1的高電導率、超過400%的拉伸性以及超過3,300 J m−2的斷裂韌性，并且很容易適用于包括3D打印在內的先進制造方法。
該導電聚合物水凝膠具有良好穩定性，即使在100%拉伸應變下循環5000次，也能維持高電導率（圖1b）。此外，還具備超越鉑電極20倍的電荷儲存能力（圖1d，e）以及3倍以上的電荷注入能力（圖1f，g），即使在10000次充電和放電循環（圖1e）、1 M雙相電荷注入（圖1g）后仍保持良好的電學和力學特性。值得注意的是，圖1c的應變實驗結果證明，該導電聚合物水凝膠在50%中等應變下對應變不敏感，從而有利于減小力學干擾所帶來的信號影響。
在此基礎上，他們結合可打印的生物粘合水凝膠，利用先進的3D打印制造技術實現了可以用于體內電生理記錄和刺激的具有組織狀柔軟度和含水量的全水凝膠生物電子界面的制造（圖2a，b）。該生物電子界面的封裝層、黏附層以及傳感層均由水凝膠制造，在生物環境中具備與組織的高順應性以及粘附性。進一步地，利用該全水凝膠界面對大鼠心臟進行了電生理記錄（圖2c-e），并用全水凝膠生物電子接口刺激了大鼠坐骨神經（圖2f-j）和脊髓，以證明其長期的體內生物電子接口能力。
研究結果表明，具備高類組織器官特性的導電聚合物水凝膠在生物組織模型的實時監測中極具發展潛力，能夠實現平臺與生物系統間更好的信號交互。這項報道中，作者通過解決導電水凝膠揮之不去的性能權衡難題，以及先進制造技術的應用，為導電聚合物水凝膠在組織工程和再生醫學中的更廣泛應用提供了新思路。
參考文獻：
ZHOU T, YUK H, HU F, et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces [J]. Nat Mater, 2023, 22(7): 895-902.
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
生物組織模型是藥物開發、再生醫學以及病理學等領域中的基礎性研究工具，深層次的細胞組織機理、藥物評估模型研究離不開其內部理化信息的實時穩定獲取。導電水凝膠作為具有高度類組織特性的材料，在生物傳感領域得到越來越多的青睞，但如何解決其機械強度與導電性能之間的相互制約難題，仍然是該領域揮之不去的挑戰。為此，麻省理工學院機械工程系的趙選賀團隊報告了一種雙連續的導電聚合物水凝膠，該水凝膠由作為導電相的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）和作為機械相的親水性聚氨酯制備而成[1]。隨著溶劑的蒸發，油墨中相分離出的機械相和導電相分別被壓成連續相（圖1a），從而與傳統的基于可溶于水的機械相聚合物（如聚乙烯醇，聚丙烯酰胺和聚丙烯酸等）的導電水凝膠相比，增強了各相的連續性，改善了電學和力學性能上的權衡沖突。從而能夠在生理環境中同時實現超過11 S cm−1的高電導率、超過400%的拉伸性以及超過3,300 J m−2的斷裂韌性，并且很容易適用于包括3D打印在內的先進制造方法。
該導電聚合物水凝膠具有良好穩定性，即使在100%拉伸應變下循環5000次，也能維持高電導率（圖1b）。此外，還具備超越鉑電極20倍的電荷儲存能力（圖1d，e）以及3倍以上的電荷注入能力（圖1f，g），即使在10000次充電和放電循環（圖1e）、1 M雙相電荷注入（圖1g）后仍保持良好的電學和力學特性。值得注意的是，圖1c的應變實驗結果證明，該導電聚合物水凝膠在50%中等應變下對應變不敏感，從而有利于減小力學干擾所帶來的信號影響。
圖1
具備良好力、電特性的雙連續導電聚合物水凝膠。（a）雙連續導電聚合物水凝膠形成機理。（b）導電聚合物水凝膠的機械循環以及電學穩定特性。（c）拉伸應變對導電水凝膠電學特性的影響。（d）Pt電極和導電水凝膠在第1次、第5,000次和第10,000次循環的電流密度與電位的關系圖。（e）Pt電極和導電水凝膠的電荷存儲量與循環伏安循環次數的關系。（f）Pt電極和導電水凝膠在第1個和第100萬個周期的雙相輸入脈沖（上）和相應的電流密度與時間的關系圖（下圖）。（g）鉑電極和導電水凝膠的電荷注入能力與電荷注入周期的關系
在此基礎上，他們結合可打印的生物粘合水凝膠，利用先進的3D打印制造技術實現了可以用于體內電生理記錄和刺激的具有組織狀柔軟度和含水量的全水凝膠生物電子界面的制造（圖2a，b）。該生物電子界面的封裝層、黏附層以及傳感層均由水凝膠制造，在生物環境中具備與組織的高順應性以及粘附性。進一步地，利用該全水凝膠界面對大鼠心臟進行了電生理記錄（圖2c-e），并用全水凝膠生物電子接口刺激了大鼠坐骨神經（圖2f-j）和脊髓，以證明其長期的體內生物電子接口能力。
圖2
用于體內電生理記錄和刺激的全水凝膠生物電子界面。（a）全水凝膠生物電子界面的3D打印制造。（b）全水凝膠生物電子界面（導電聚合物水凝膠BC-CPH、絕緣和生物粘附水凝膠）、常規電極和封裝材料以及生物組織的楊氏模量與水含量的關系。（c-e）全水凝膠生物電子界面大鼠心臟記錄。（f-j）全水凝膠生物電子界面大鼠坐骨神經刺激記錄
研究結果表明，具備高類組織器官特性的導電聚合物水凝膠在生物組織模型的實時監測中極具發展潛力，能夠實現平臺與生物系統間更好的信號交互。這項報道中，作者通過解決導電水凝膠揮之不去的性能權衡難題，以及先進制造技術的應用，為導電聚合物水凝膠在組織工程和再生醫學中的更廣泛應用提供了新思路。
參考文獻：
ZHOU T, YUK H, HU F, et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces [J]. Nat Mater, 2023, 22(7): 895-902.
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