漫谈柔性导电新材料--导电水凝胶研究进展

水凝胶是一种由亲水性高分子通过共价键、氢键或配位键等作用交联形成的三维网络。早在上世纪90年代，Guiseppi-EIie和 Wallace等通过将水凝胶与导电聚合物聚合交联，大大提升了水凝胶导电性。至此，导电水凝胶开始作为一个单独门类被研究，而这种具有很好的导电性、稳定性、兼有可观力学性能的新型材料也在柔性可穿戴电子产品、电池及生物传感器等方面得到了充分发展，受到了广大科研工作者青睐。

发展至今，导电水凝胶已开发出聚电解质型，酸掺杂型，无机物填充型和导电高分子基型四大类，而围绕在自愈性、粘附性、导电性、可拉伸性、生物医学应用上的有关研究亦是层出不穷。为方便大家进行相关内容的学习，EFL整理了3篇代表性综述和2022年来围绕导电水凝胶开展的7篇高水平工作供大家参考,同时欢迎大家联系EFL获取更多资源或交流合作。

一、代表性综述回顾

1. Progress in Polymer Science (IF 29.19)：生物医用导电水凝胶的微加工合理化设计；2019.02.20

简介：该综述主要介绍了可以掺入到水凝胶中赋予其导电性的常用材料。重点归纳了包括 3D 打印、静电纺丝、微图案化和自组装等适用于导电水凝胶的最新微制造技术。讨论了导电水凝胶在组织工程、药物递送和生物传感等特定生物医学应用中的定制策略。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670018302132

2. Small (IF 13.281)：用于制造柔性应变传感器的导电水凝胶研究进展；2021.10.17

简介：导电水凝胶因其独特的导电性能、机械性能、自愈性和抗冻性等特性而被开发并应用于应变传感器领域。这些卓越的特性使得基于导电水凝胶的应变传感器即使在零度以下的温度下也能具有用于识别外部刺激和检测人体运动等出色的性能。本综述总结了导电水凝胶的各种化学物理特性及其在电阻、电容、压电、摩擦和基于电池这五种不同模式下工作的应变传感器中的应用。 

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202101518

3. Trends in Analytical Chemistry ( IF 12.296 )：用于柔性可穿戴传感器的多功能导电水凝胶；2020,11.26

简介：该综述总结了导电水凝胶在可穿戴传感器中的应用，简要介绍了导电水凝胶的代表性合成方法和策略。重点介绍了基于多功能导电水凝胶（如具有自愈、自粘附或防冻能力）的柔性可穿戴传感器，并对基于导电水凝胶的多功能柔性可穿戴传感器领域商业化所面临的挑战进行了讨论。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165993620303599

二、代表性研究进展

4. Science Advances (IF 14.136)：通过激光诱导相分离快速制备PEDOT:PSS水凝胶生物电子学器件；2022.06.08

简介: 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)组成的导电水凝胶，因其独特的电和离子双重导电性及优异的生物相容性而备受关注。然而，大多数PEDOT:PSS水凝胶是通过传统的制造工艺制备的，制备步骤复杂、空间分辨率低。且用于制造PEDOT:PSS水凝胶的添加剂大多具有细胞毒性。该研究通过激光诱导的相分离为PEDOT:PSS水凝胶开发了一种超快且生物相容好的数字图案化工艺，通过选择性激光扫描增强了PEDOT:PSS的电性能和水稳定性，从而使PEDOT:PSS转变为水稳定性水凝胶。PEDOT:PSS水凝胶在水中显示出670 S/cm的高电导率和6-μm的分辨率。此外，即使在生理环境中6个月后，电化学性能仍保持不变。该工艺对于需要在电解质中具有优异的水稳定性和高电性能的电极材料的各种工程领域，如生物电子学、能源设备和电子皮肤设备等领域，具有广大的前景。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo3209

5. Advanced Materials (IF 30.849)：高导电性、可拉伸双网络水凝胶；2022.02.15

简介：导电聚合物水凝胶具有含水量高和模量低等特点，与生物组织高度相似，被认为是替代金属的理想电极材料。然而已有的导电聚合物水凝胶的导电性能和力学性能难以兼顾。该研究提出了一种“去溶胀-原位聚集”方法，通过乙酸促使导电聚合物（PEDOT:PSS）胶体颗粒在聚乙烯醇（PVA）网络中原位聚集成连续的导电网络，从而制得具有高电导率（10 S/cm）和高拉伸性（断裂伸长率150%）的水凝胶。这种水凝胶具有与组织相匹配的高柔顺性和良好的生物相容性，可通过粘附层与生物组织融合，实现长期稳定的双向电信号交互。研究人员将该导电水凝胶作为电极贴附在小鼠的肌肉表面，可在长达两星期的时间内稳定检测小鼠运动时的肌电信号。同时，该材料可作为神经刺激电极，相比金属电极，其刺激电压大幅降低，提升了电刺激的效率和安全性。该工作提出的方法解决了长期困扰导电水凝胶的导电性能和力学性能失衡的难题，为柔性生物电子的发展提供了新材料和新思路。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202200261

6. Advanced Functional Materials (IF 18.808)：气囊式导电水凝胶应变传感器用于减少近距离放射治疗期间肿瘤周围器官的辐射损伤；2022.02.23

简介：该研究基于不同的超分子组装制造了具有多种理想特征的疏水缔合水凝胶。MXene和水解角蛋白(HK)的引入赋予水凝胶优异的导电性、超拉伸性(>2000%)和良好的自粘性。受气球充气的启发，设计了水凝胶来隔离直肠和阴道，并在体外模拟放射性信号的衰减过程。随着水凝胶“气球”的增大，阴道与直肠之间的距离越来越远，因此在近距离放射治疗过程中，正常组织接受的辐射剂量也相应减少。此外，研究人员还根据水凝胶尺寸的变化模拟了辐射信号的衰减过程，并开发了一个智能手机应用程序（app）来监测不同辐射风险的安全范围，显示出其在软智能传感器方面的巨大潜力。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202112281

7. Advanced Functional Materials ( IF 18.808 )：用于高性能应变传感器的超可拉伸、自愈、粘性离子导电水凝胶；2022.06.08

简介：离子导电水凝胶（ICHs）整合了类组织材料的导电性能和柔软性，在制造人体运动传感器时被认为是传统刚性金属导体的有希望的替代品。然而，通过简单的方法同时结合出色的拉伸性、韧性、离子电导率、自修复和粘附性仍然是一个巨大的挑战。本文通过设计一种具有多种作用的苯基硼酸离子液体（PBA-IL），提出了一种新型的ICH平台，同时实现了高度的机械、电气和多功能特性。这种精心设计的半互穿网络是通过将纤维素纳米原纤维 (CNF) 引入 PBA-IL/丙烯酰胺交联网络中的一种简便一步法制造的，交联网络的动态硼酸酯键和物理相互作用（氢键和静电相互作用）赋予这些水凝胶显着的拉伸性、韧性、自修复性能、粘合性和透明度。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202204565

8. Bioactive Materials (IF 14.593)：可注射导电水凝胶用于心肌梗塞部位电传输修复；2022.06.18

简介：心肌梗塞 (MI) 导致大量心肌细胞死亡和胶原纤维沉积。这种纤维组织会破坏心肌中的电信号，导致心脏收缩和舒张功能障碍以及心律失常。导电水凝胶是一种很有前途的 MI 治疗策略。本文通过将聚吡咯（PPy）接枝到非导电明胶上来制备高水溶性导电材料（GP）。将该组分添加到由氧化黄原胶 (OXG) 和明胶之间的席夫碱反应形成的凝胶体系中，以构建可注射的导电水凝胶。制备的自愈水凝胶具有良好的生物相容性、弹性模量和与天然心脏相匹配的电导率。将制备的生物材料注射到大鼠心肌瘢痕组织中发现，治疗大鼠的心脏功能得到了改善、心肌纤维组织的电阻率降低、心肌组织的传导速度增加。组织学分析显示梗塞面积减小、左心室壁厚度增加、血管密度增加，梗塞区域炎症反应降低。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22002572

9. Chemical Engineering Journal (IF 13.273)：自修复、湿粘附丝素蛋白导电水凝胶作为水下应用的可穿戴应变传感器；2022.05.11

简介：基于导电水凝胶的可穿戴应变传感器因其在人体运动和健康监测等领域的巨大应用潜力而备受关注。然而，由于水分子削弱或消除了水凝胶的某些特性，因此设计适用于潮湿或水下环境并具有生物安全性的可穿戴传感器仍然是一个挑战。该工作通过将导电聚合物聚吡咯（PPy）与丝素蛋白（SF）和单宁酸（TA）通过原位聚合引入同一凝胶网络，成功构建了具有拉伸性、皮肤顺应性、抗菌性和生物相容性的SF/TA@PPy导电水凝胶。SF/TA@PPy 对各种材料都表现出优异的湿附着力。它具有工作范围宽、应变灵敏度高、电阻响应快等特点。经过多次拉伸循环后仍具有稳定的电性能。作为一种可穿戴的应变传感器，SF/TA@PPy无需借助外部物体可以直接附着在人体表面。此外，它还可以快速感知手指关节、腕关节、肘关节和膝关节等大应变体运动，还可以准确捕捉微笑、皱眉、咳嗽和呼吸等小应变生理信号的变化。人体运动检测不仅可以在空气中进行，也可以在水中进行。基于稳定的电学特性，SF/TA@PPy可以通过控制身体运动变化来表达莫尔斯电码，实现有效的水下信息传输。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722024251

10. Chemical Engineering Journal (IF 13.273)：用于生物医学的具有三维连接石墨烯网络的导电水凝胶；2022.06.02

简介：导电水凝胶提供与生物系统的有效电通信，同时提供柔软和水合的界面。然而，以最少的导电组分掺入，轻松制造具有高电性能的导电水凝胶仍然是一个挑战。该研究使用氧化石墨烯 (GO) 涂层的琼脂糖微珠和热退火开发了一种由三维连接的还原氧化石墨烯 (rGO) 网络组成的导电水凝胶。GO 包被的琼脂糖微珠自组装成粒状水凝胶和随后的温和加热允许生产含有三维连接的 rGO 网络的导电水凝胶(TAGAH)）。通过3D 打印可以轻松制造各种导电结构。体外和体内研究表明它们具有出色的生物相容性。此外，基于 TAGAH 的材料在软生物电极、压力传感器、应变传感器和导电组织支架的潜在应用也在该文中被证实。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722028327

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