用于全水凝胶生物电子界面的3D可打印高性能导电聚合物水凝胶

供稿人：谷雨洋、李骁 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

生物组织模型是药物开发、再生医学以及病理学等领域中的基础性研究工具，深层次的细胞组织机理、药物评估模型研究离不开其内部理化信息的实时稳定获取。导电水凝胶作为具有高度类组织特性的材料，在生物传感领域得到越来越多的青睐，但如何解决其机械强度与导电性能之间的相互制约难题，仍然是该领域挥之不去的挑战。为此，麻省理工学院机械工程系的赵选贺团队报告了一种双连续的导电聚合物水凝胶，该水凝胶由作为导电相的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）和作为机械相的亲水性聚氨酯制备而成[1]。随着溶剂的蒸发，油墨中相分离出的机械相和导电相分别被压成连续相（图1a），从而与传统的基于可溶于水的机械相聚合物（如聚乙烯醇，聚丙烯酰胺和聚丙烯酸等）的导电水凝胶相比，增强了各相的连续性，改善了电学和力学性能上的权衡冲突。从而能够在生理环境中同时实现超过11 S cm−1的高电导率、超过400%的拉伸性以及超过3,300 J m−2的断裂韧性，并且很容易适用于包括3D打印在内的先进制造方法。

该导电聚合物水凝胶具有良好稳定性，即使在100%拉伸应变下循环5000次，也能维持高电导率（图1b）。此外，还具备超越铂电极20倍的电荷储存能力（图1d，e）以及3倍以上的电荷注入能力（图1f，g），即使在10000次充电和放电循环（图1e）、1 M双相电荷注入（图1g）后仍保持良好的电学和力学特性。值得注意的是，图1c的应变实验结果证明，该导电聚合物水凝胶在50%中等应变下对应变不敏感，从而有利于减小力学干扰所带来的信号影响。

图1 具备良好力、电特性的双连续导电聚合物水凝胶。（a）双连续导电聚合物水凝胶形成机理。（b）导电聚合物水凝胶的机械循环以及电学稳定特性。（c）拉伸应变对导电水凝胶电学特性的影响。（d）Pt电极和导电水凝胶在第1次、第5,000次和第10,000次循环的电流密度与电位的关系图。（e）Pt电极和导电水凝胶的电荷存储量与循环伏安循环次数的关系。（f）Pt电极和导电水凝胶在第1个和第100万个周期的双相输入脉冲（上）和相应的电流密度与时间的关系图（下图）。（g）铂电极和导电水凝胶的电荷注入能力与电荷注入周期的关系

在此基础上，他们结合可打印的生物粘合水凝胶，利用先进的3D打印制造技术实现了可以用于体内电生理记录和刺激的具有组织状柔软度和含水量的全水凝胶生物电子界面的制造（图2a，b）。该生物电子界面的封装层、黏附层以及传感层均由水凝胶制造，在生物环境中具备与组织的高顺应性以及粘附性。进一步地，利用该全水凝胶界面对大鼠心脏进行了电生理记录（图2c-e），并用全水凝胶生物电子接口刺激了大鼠坐骨神经（图2f-j）和脊髓，以证明其长期的体内生物电子接口能力。

图2 用于体内电生理记录和刺激的全水凝胶生物电子界面。（a）全水凝胶生物电子界面的3D打印制造。（b）全水凝胶生物电子界面（导电聚合物水凝胶BC-CPH、绝缘和生物粘附水凝胶）、常规电极和封装材料以及生物组织的杨氏模量与水含量的关系。（c-e）全水凝胶生物电子界面大鼠心脏记录。（f-j）全水凝胶生物电子界面大鼠坐骨神经刺激记录

研究结果表明，具备高类组织器官特性的导电聚合物水凝胶在生物组织模型的实时监测中极具发展潜力，能够实现平台与生物系统间更好的信号交互。这项报道中，作者通过解决导电水凝胶挥之不去的性能权衡难题，以及先进制造技术的应用，为导电聚合物水凝胶在组织工程和再生医学中的更广泛应用提供了新思路。

参考文献：
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.