麻省理工&江西科技师范Nat. Materials: 3D打印助力高性能导电聚合物水凝胶

一、【导读】

导电性水凝胶由于其与生物组织的相似性（高含水量、柔软度）和导电性的独特结合，已成为生物电子界面传统金属电极的有前提的替代品。特别是，导电聚合物水凝胶（基于导电聚合物的导电水凝胶）与其他基于浓离子盐、金属（Ag、Au、Pt）或碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯及其衍生物）的导电水凝胶相比，显示出一系列优势，包括良好的电性能、生理环境中的稳定性、生物相容性和完全有机特性。近年来，尽管最近在模拟生物组织的机械强韧性水凝胶方面取得了进展，但机械强韧性导电聚合物水凝胶的开发仍面临着持续的挑战。现有的硬导电聚合物水凝胶，通常是在坚韧的水凝胶基质中混合或聚合导电聚合物来制备的。然而，通过增加导电聚合物含量（纯导电聚合物水凝胶）来实现高导电性的尝试大大损害了水凝胶的机械性能，限制了它们作为生物电子界面的实用性。而生物电子界面需要同时具有良好的机械和电气性能。此外，许多现有的导电聚合物水凝胶不适用于3D打印等先进的水凝胶制造技术，因此不适合制造生物电子器件。因此，合理设计和开发高导电性和机械性能导电聚合物水凝胶是当前该领域的关键研究之一。

二、【成果掠影】

近日，麻省理工学院Xuanhe Zhao, Hyunwoo Yuk,江西科技师范大学Baoyang Lu等人报告了一种双连续导电聚合物水凝胶（BC-CPH）。BC-CPH同时实现高导电性、拉伸性和断裂韧性，适用于相关的研究成果以“3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces”为题发表在Nature Materials上。

三、【核心创新点】

1、作者报告了一种双连续导电聚合物水凝胶，在不牺牲其机械性能的情况下克服挑战实现高导电性。BC-CPH可以很容易地从由电相和机械相组成的相分离油墨中制备，并允许使用各种先进的制造策略，包括旋转涂层和静电纺丝（低粘度油墨）以及微成型和3D打印（高粘度油墨）

 2、BC-CPH在生理环境中同时实现了高导电性（超过 11 S cm^-1）、拉伸性（超过400%）、断裂韧性（超过 3300 J m^-2）、含水量（~80%) 和组织柔软度（杨氏模量低于1 MPa）。

四、【数据概览】

图1 BC-CPH 的设计与实现。©2023 Springer Nature

图2 BC-CPH 的电气特性和稳定性。©2023 Springer Nature

图3对不同制造方法的适用性。©2023 Springer Nature

图4 全水凝胶生物电子界面。©2023 Springer Nature

图5体内电生理记录和刺激。©2023 Springer Nature

图6体内生物相容性。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，作者提出的这种双连续导电聚合物水凝胶解决了导电水凝胶的难题，BC-CPH为类组织生物电子界面提供了一种很有前途的材料。在BC-CPH的独特优势下，作者通过3D打印制备了单片全水凝胶生物电子界面，能够长期高效地进行电生理刺激，并在大鼠模型中记录多种组织和器官。这项工作可能为水凝胶生物电子学提供一个多功能的工具和平台，不仅可以实现机器和生物系统之间更好和更快速的电接口，还可以在组织工程和再生医学中广泛应用BC-CPH，加快生物医学的发展。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01569-2

本文由K . L撰稿。