隨著生物醫(yī)學技術(shù)的不斷進步，植入式生物電子器件逐漸成為醫(yī)療領(lǐng)域的一個重要研究方向。導電水凝膠，因其突出的柔軟性與導電性能，已在神經(jīng)調(diào)控、疼痛管理等多個生物醫(yī)學應用中展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。近日，浙江大學徐凱臣研究員課題組在《國家科學評論》（National Science Review）發(fā)表研究論文“Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics”，提出了一種基于增強型激光誘導相分離的高性能導電水凝膠構(gòu)建方法。該水凝膠不僅具有超高電導率、優(yōu)異的生物相容性，還具備微米級圖案化能力，為未來柔性神經(jīng)接口等生物電子技術(shù)的進一步發(fā)展提供了有力支撐。博士研究生周豪為第一作者。

01.文獻信息

文獻題目： Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics

DOI: 10.1093/nsr/nwaf136

原文鏈接： https://doi.org/ 10.1093/nsr/nwaf136

02. 主要內(nèi)容

01 研究背景

導電水凝膠是結(jié)合了優(yōu)異電子傳導性和組織兼容性的理想材料，特別是在柔性生物電子器件中具有重要應用。這類材料特別適合神經(jīng)接口等領(lǐng)域，能夠在維持高導電性的同時，確保與生物組織的穩(wěn)定結(jié)合。在這些應用中，PEDOT:PSS體系由于其良好的電子傳導性和相對較低的成本，一直是研究的熱門選擇。然而，盡管激光誘導相分離技術(shù)具備了非接觸、高分辨率的加工優(yōu)勢，但由于PEDOT:PSS溶液本身的光熱轉(zhuǎn)化效率較低，導致激光誘導過程難以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡(luò)，這一技術(shù)瓶頸使得其在高性能植入式生物電子中的應用受到限制。

02 技術(shù)路線

為了解決這一瓶頸，研究團隊提出一種有效策略，即通過在PEDOT:PSS前驅(qū)液和乙二醇之間創(chuàng)建穩(wěn)定的液-液界面，結(jié)合激光誘導相分離技術(shù)，成功地制備出了高導電性的PEDOT水凝膠。通過精確控制溶劑擴散，研究人員引導PEDOT鏈段逐步從混亂的“彎曲狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)檎R有序的“拉直狀態(tài)”，這種變化顯著提升了材料的共軛長度，加強了分子之間的π-π堆疊程度，從而大大增加了水凝膠對可見光的吸收能力。通過這種技術(shù)，材料在532 nm連續(xù)激光照射下迅速加熱，局部實現(xiàn)了高效的相分離過程，形成了一個緊密連接的PEDOT導電網(wǎng)絡(luò)。實驗表明，這種ELIP水凝膠的電導率達到了955 S/cm，并且能夠在微米級別實現(xiàn)圖案化，分辨率可達到約3 μm。激光處理不僅提升了材料的導電性，同時也增強了水凝膠與基底的附著力和材料的力學穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明該水凝膠具有良好的電化學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。更為重要的是，這一技術(shù)避開了傳統(tǒng)加工中的外源摻雜和酸處理步驟，具備了更高的簡便性和可控性，從而為高性能PEDOT導電水凝膠的開發(fā)提出了新思路。

圖1：通過亞穩(wěn)態(tài)液-液接觸聯(lián)合激光誘導相分離構(gòu)建植入式生物電極的設(shè)計與制造

03 機制研究

為了更深刻地理解PEDOT水凝膠導電性能提升的機制，研究團隊結(jié)合分子動力學模擬和多種表征手段，詳細探討了亞穩(wěn)態(tài)液-液接觸和激光誘導對PEDOT鏈結(jié)構(gòu)的影響。模擬結(jié)果表明，在水溶液中，PEDOT和PSS鏈段呈現(xiàn)糾纏的狀態(tài)，難以有效地分離并形成理想的導電網(wǎng)絡(luò)。然而，在水與乙二醇的混合溶液中，PEDOT鏈逐步從分散的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦L、更有序的共軛結(jié)構(gòu)，顯著增強了分子之間的π-π堆疊程度，并提高了材料的光吸收效率。激光照射進一步促進了PEDOT鏈的重組，局部升溫引發(fā)了深度的相分離，使得水凝膠形成了一個更加緊密的導電網(wǎng)絡(luò)。通過實驗驗證，AFM圖像表明PEDOT由分散的顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€連貫的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；XPS測試顯示PEDOT含量大幅增加；拉曼光譜中，Quinoid（高導電結(jié)構(gòu)）峰的強度明顯高于Benzoid（低導電結(jié)構(gòu)）峰，進一步證明了PEDOT分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。這一過程揭示了ELIP水凝膠導電性增強的內(nèi)在機制：通過激發(fā)分子內(nèi)在潛力，原本松散的鏈條形成了結(jié)構(gòu)緊密、路徑連通的導電網(wǎng)絡(luò)。

圖2：分子動力學模擬與性能表征

04應用驗證

除了電導性能上的突破，ELIP水凝膠在實際應用中也展示了其卓越的能力。研究團隊將其制成了柔性圖案化袖帶電極，并將其纏繞在成年大鼠的坐骨神經(jīng)上，模擬神經(jīng)調(diào)控的真實應用場景。通過施加千赫茲頻率的交變電刺激，實驗結(jié)果表明，坐骨神經(jīng)的動作電位傳導被有效抑制，動物后肢肌肉活動顯著減弱，成功地中斷了疼痛相關(guān)的神經(jīng)信號傳導。在體實驗后，研究團隊通過組織學分析確認，植入28天后，神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)保持完好，未見明顯的炎癥或膠質(zhì)細胞增生，表明該材料在神經(jīng)組織中展現(xiàn)出優(yōu)異的生物適應性。

圖3： 神經(jīng)傳導阻斷和生物相容性測試

03. 分析展望

綜上所述，ELIP水凝膠不僅突破了傳統(tǒng)PEDOT導電水凝膠的性能瓶頸，還在工藝上實現(xiàn)了便捷、高效、可控的升級。未來，這種新型水凝膠有望在更廣泛的臨床應用中發(fā)揮重要作用，在神經(jīng)電子接口領(lǐng)域扮演重要角色，推動生物醫(yī)學工程向更加柔性和高精度的方向發(fā)展。

來源：柔性新材料