MIT趙選賀團隊研發高性能純導電聚合物水凝膠

2021-01-15 騰訊網

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長期穩定高效的人機界面交互及融合要求界面材料同時具備高電導率、優異的穩定性、良好的生物兼容性以及與人體組織匹配的力學性能。導電聚合物水凝膠是實現人體和生物電子設備完美兼容的理想界面材料之一，然而現有導電水凝膠很難兼顧滿足應用需求的電學、力學、生物兼容性及穩定性。

近日，MIT趙選賀團隊提出形成穩定的導電聚合物納米纖維網際網路是獲得高性能導電聚合物水凝膠的關鍵。團隊同時發明了一種簡單有效的方法，用來設計高性能聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)：聚(苯乙烯磺酸鹽) (PEDOT:PSS)水凝膠。所報導的純PEDOT:PSS水凝膠電導率可達40 S/cm，力學性能良好（拉伸率 35％，楊氏模量2 MPa），同時具有良好的電學、電化學及力學穩定性。純PEDOT:PSS導電水凝膠的製備有助於加深人們對高性能導電水凝膠合理設計的理解，為新一代生物電子產品製作及應用提供了更佳的材料平臺。

人體與各種電器的交互和融合是現今科學技術發展的最前沿問題之一。長期穩定高效的人機界面有可能帶來對人體和生命前所未有的理解。目前商業化的生物電子設備大多是由金屬、矽、陶瓷、玻璃、塑料等組成的，在材料屬性及力學性能上與人體組織間的匹配性仍待提高。水凝膠具有與人體各個器官相似的力學和生理學特性；兼具電學、力學、生物功能的可控性和多樣性，是人機界面的最理想載體之一(更多詳情請見最新綜述：Hydrogel bioelectronics, Chemical Society Reviews, doi: 10.1039/C8CS00595H, 2018)。 然而，絕大多數水凝膠均為離子導電，且電導率一般低於1 S/m，嚴重限制了其在生物電子領域的應用。此外，現有導電水凝膠很難同時兼顧滿足實際應用需求的電學、力學、生物兼容性及穩定性。開發性能優異、高效且長期穩定的水凝膠是目前人機界面交互及融合領域亟需解決的重要難題之一。

麻省理工學院機械工程系趙選賀教授團隊與江西科技師範大學徐景坤教授課題組合作最新發表在Nature Communications上的研究論文（Pure PEDOT:PSS hydrogels,Nature Communications2019, 10, 1043. Link: https://rdcu.be/bp4cy）報導了一種簡單有效的製備高性能導電聚合物水凝膠的方法。該方法通過添加可揮發極性溶劑如DMSO等處理PEDOT:PSS水溶液，乾燥淬火進一步增加PEDOT與PSS的相分離，使其產生分布均勻的納米纖維網際網路結構，進而通過控制該結構在水體系中的溶脹行為（主要為親水性PSS的溶脹）可獲得穩定的純PEDOT:PSS水凝膠（圖1）。

圖1. PEDOT:PSS結構及純PEDOT:PSS導電水凝膠設計原理

乾燥過程監測及溶脹行為研究發現，PEDOT:PSS的乾燥過程直接影響其水凝膠的溶脹行為（圖2）。各向同性的乾燥淬火過程（無力學約束條件）使PEDOT:PSS展現出各向同性的溶脹行為，而PEDOT:PSS溶液的各向異性乾燥過程致使其產生厚度方向的單向溶脹。同時，研究發現PEDOT:PSS的溶脹行為也受到極性溶劑添加量以及溶脹體系離子濃度的影響。

圖2. PEDOT:PSS的乾燥過程及溶脹行為研究

圖3. 純PEDOT:PSS水凝膠的力學、電學及電化學性能研究

力學測試結果（圖3）表明純PEDOT:PSS水凝膠自支撐薄膜在磷酸緩衝鹽溶液（PBS）中的楊氏模量為2~10 MPa，與常用彈性體如PDMS等相當，比目前生物電子設備中應用的傳統電極材料低6~9個數量級，與人體組織的力學匹配性大幅提高。PEDOT:PSS水凝膠的斷裂拉伸率可達40%，明顯高於乾燥的PEDOT:PSS薄膜（10%），與人體組織的拉伸性能更為匹配，比如神經組織（20%）、皮膚（50%）等。同時，PEDOT:PSS水凝膠具有很高的電導率，在去離子水中高達40 S/cm（PBS中20 S/cm），是目前水凝膠電導率的最高值之一。電極動力學研究顯示PEDOT:PSS水凝膠電化學活性良好，且穩定性優異，循環伏安掃描20000圈電活性仍能保持90%以上。電荷存儲（CSC）和注入容量（CIC）是生物電子應用的重要參數，PEDOT:PSS水凝膠CSC值可達60 mC/cm2，CIC值為8.3 mC/cm2，能夠滿足腦機接口、人機接口電極傳感器等性能要求。整體上，純PEDOT:PSS導電水凝膠兼具高電導率、可拉伸性、低楊氏模量以及優異的力學和電學穩定性（圖3），為實現高性能導電水凝膠的材料開發提供了新的設計思路。

複雜幾何形狀的電極製作及圖案化是生物電子設備的關鍵步驟之一。PEDOT:PSS水凝膠製備工藝的簡便性使得導電水凝膠的複雜圖案化成為可能。作者利用墨水直接書寫方法列印出波狀網格結構的PEDOT:PSS圖案（圖4），乾燥淬火後可以分別製備出有基底支撐和自支撐的圖案，通過控制器溶脹過程獲得相應的純PEDOT:PSS水凝膠圖案。這些水凝膠圖案展現出良好的柔性、穩定性和基底附著力。

該工作由麻省理工學院活性軟物質研究室（MIT SAMS lab）和江西科技師範大學徐景坤教授課題組共同完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授以及Robert N. Noyce Career Development 教授。MIT博士後盧寶陽（江西科技師範大學副教授）和博士生Hyunwoo Yuk為該論文共同第一作者。

背景閱讀

https://chemistrycommunity.nature.com/channels/1465-behind-the-paper/posts/44869-pure-pedot-pss-hydrogels

趙選賀教授課題組（http://zhao.mit.edu/）長期推動軟物質和人機界面科技前沿的發展。最近的成果包括：

機理與方法研究

首次定義水凝膠生物電子學 （Hydrogel bioelectronics） Chemical Society Reviews, DOI: 10.1039/c8cs00595h

首次提出純PEDOT:PSS高性能導電水凝膠機理、製備及圖案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019)

首次提出水凝膠抗疲勞斷裂（anti-fatigue-fracture）的機理並實現超高抗疲勞水凝膠 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)

首次提出水凝膠超韌粘結 （tough adhesion）的機理並實現與各種材料的超韌粘結 Nature Materials, 15, 190 (2016)

首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer hybrid）並實現不幹水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

首次系統闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

首次系統闡述水凝膠增強 (high strength) 的機理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

首次提出3D列印超韌超彈水凝膠的方法並列印各種載細胞的超韌超彈水凝膠結構 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

首次提出3D列印鐵磁軟材料和軟機器 Nature, 558, 274 (2018)

應用研究

首次提出可食用水凝膠電子並用來長期監測核心體徵 Nature Communications, 10，493（2019）

首次提出並實現可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

首次實現液壓水凝膠驅動器和機器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

首次實現超拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

首次實現各種醫療儀器上的超韌水凝膠塗層 Advanced Healthcare Materials, DOI: 10.1002/adhm.201700520

首次提出並實現可拉伸生命器件 （stretchable living device） Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 2200 (2017)

首次應用力學失穩得到人工黏膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

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