《Nature》子刊：麻省理工科学家开发出高性能导电聚合物水凝胶

人体与各种电子器件的交互和融合是现今科学技术发展最前沿的问题之一。长期稳定高效的人机界面可能带来对人体和生命前所未有的理解。目前商业化的生物电子设备大多是由金属、硅、陶瓷、玻璃、塑料等组成的，在材料属性及力学性能上与人体组织间的匹配性仍有待提高。水凝胶具有与人体各个器官相似的力学和生理学特性；兼具电学、力学、生物功能的可控性和多样性，是人机界面的最理想载体之一(MIT赵选贺团队定义《水凝胶生物电子学》)。然而，绝大多数水凝胶均为离子导电，且电导率一般低于1 S/m，严重限制了其在生物电子领域的应用。此外，现有导电水凝胶很难同时兼顾实际应用需求的电学、力学、生物兼容性及稳定性。开发性能优异、高效且长期稳定的是目前人机界面交互及融合领域亟需解决的重要难题之一。

MIT机械工程系赵选贺教授团队与江西科技师范大学徐景坤教授团队合作最新发表在Nature Communications上的研究论文（Pure PEDOT:PSS hydrogels, Nature Communications2019, 10, 1043）报道了一种简单有效的制备高性能导电聚合物水凝胶的方法。该方法通过添加可挥发极性溶剂DMSO来处理PEDOT:PSS水溶液，再干燥淬火进一步促进PEDOT与PSS的相分离，使其产生分布均匀的纳米纤维状互联网络结构，进而通过控制该结构在水体系中的溶胀行为（主要为亲水性PSS的溶胀）可获得稳定的纯PEDOT:PSS水凝胶（图1）。

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图1.PEDOT:PSS结构及纯PEDOT:PSS导电水凝胶设计原理

干燥过程监测及溶胀行为研究发现，PEDOT:PSS的干燥过程直接影响其水凝胶的溶胀行为（图2）。各向同性的干燥淬火过程（无力学约束条件）使PEDOT:PSS展现出各向同性的溶胀行为，而PEDOT:PSS溶液的各向异性干燥过程致使其产生厚度方向的单向溶胀。同时，研究发现PEDOT:PSS的溶胀行为也受到极性溶剂添加量以及溶胀体系离子浓度的影响。

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图2. PEDOT:PSS的干燥过程及溶胀行为研究

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图3. 纯PEDOT:PSS水凝胶的力学、电学及电化学性能研究

力学测试结果（图3）表明纯PEDOT:PSS水凝胶自支撑薄膜在磷酸缓冲盐溶液（PBS）中的杨氏模量为2~10 MPa，与常用弹性体如PDMS相当，比目前生物电子设备中应用的传统电极材料低6~9个数量级，与人体组织的力学匹配性大幅提高。PEDOT:PSS水凝胶的断裂拉伸率可达40%，明显高于干燥的PEDOT:PSS薄膜（10%），与人体组织的拉伸性能更为匹配，比如神经组织（20%）、皮肤（50%）等。同时，PEDOT:PSS水凝胶具有很高的电导率，在去离子水中高达40 S/cm（PBS：20 S/cm），是目前水凝胶电导率的最高值[1] 。电极动力学研究显示PEDOT:PSS水凝胶电化学活性良好，且稳定性优异，循环伏安扫描20000圈电活性仍能保持90%以上。电荷存储（Charge storage capacity）和注入（Charge injection capacity）容量这两个生物电子应用的重要参数分别达到60 mC/cm2和 8.3 mC/cm2，能够满足脑机接口、人机接口电极传感器等性能要求。整体上，纯PEDOT:PSS导电水凝胶兼具高电导率、可拉伸性、低杨氏模量以及优异的力学和电学稳定性（图3），为实现高性能导电水凝胶的材料开发提供了新的设计思路。

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图4. 纯PEDOT:PSS水凝胶的图案化

复杂几何形状的电极制作及图案化是生物电子设备的关键步骤之一。PEDOT:PSS水凝胶制备工艺的简便性使得导电水凝胶的复杂图案化成为可能。作者利用墨水直写打印法（Direct ink printing）制备出波状网格结构的PEDOT:PSS图案（图4），干燥淬火后可以分别制备出有基底支撑和自支撑的图案，通过控制溶胀过程获得相应的纯PEDOT:PSS水凝胶图案。这些水凝胶图案展现出良好的柔性、稳定性和基底附着力。[2]

该工作由麻省理工学院赵选贺课题组（MIT Zhao lab）和江西科技师范大学徐景坤教授课题组共同完成。通讯作者赵选贺博士是MIT终身教授以及Robert N. Noyce Career Development 教授。MIT博士后卢宝阳（江西科技师范大学副教授）和博士生Hyunwoo Yuk为该论文共同第一作者。