MIT赵选贺团队SA: 坚韧导电聚合物生物电子界面

点击上方“蓝字” 一键订阅

导电聚合物兼具独特的电学、力学性能及生物兼容性.作为界面材料有望实现长期稳定高效的人机交互及融合。然而，当前导电聚合物与各类基底材料在人体环境中的粘附性能普遍较差，严重影响了生物电子器件的功能及寿命。近日，麻省理工学院赵选贺团队提出了一种实现导电聚合物涂层与多种基底强力粘附的通用策略，该方法通过引入纳米级亲水性聚合物粘接层与导电聚合物形成分子互穿网络，实现了粘结剂粘附性能与导电聚合物电学、力学性能的有效结合。这一策略操作简单，成本低廉，与导电聚合物现有加工技术兼容性良好，并可与商业化生物电极集成用于开发坚韧导电聚合物生物电子界面。

人体与各种生物电子设备的交互和融合是现今科学技术发展的最前沿问题之一。长期稳定高效的人机界面有可能带来对人体和生命前所未有的理解；同时影响着我们每个人的健康、学习、工作、生活、社会安全；以及推动AI （通过理解人脑）、机器人 、大数据等各个领域的发展。导电聚合物及其水凝胶涂层兼具独特的电学、力学性能及生物兼容性，作为界面材料有望实现长期稳定高效的人机交互及完美融合（参见前期工作Chemical Society Reviews 2019, 48, 1642; Nature Communications 2019, 10, 1043）。然而，当前导电聚合物与各类基底材料在人体环境中的粘接性能普遍较差且不稳定、容易脱落，严重影响了生物电子器件的功能及寿命。例如Neuralink公司总裁Elon Musk在其研究报告中明确指出：导电聚合物阻抗小，作为电极界面材料性能优异，但其长期稳定性尚需提高。因此，坚韧且长期稳定的导电聚合物生物电子界面研发是当前人机交互融合的重大难题之一。

麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队最新发表在Science Advances上的研究论文（Strong Adhesion of Wet Conducting Polymers on Diverse Substrates, Science Advances 2020, 6, eaay5394 ）报道了一种能够实现导电聚合物涂层与多种基底长期坚韧粘附的方法。该方法先对各类基底进行氨基功能化预处理，再通过旋涂、喷涂和浸涂等方法将亲水性聚氨酯（PU）涂附到基底上，形成纳米粘接层；纳米粘附层溶胀后可直接涂布导电聚合物水溶液（例如PEDOT:PSS等）或电化学聚合其单体溶液（如EDOT、吡咯、苯胺单体溶液等），在水性体系中形成聚合物分子互穿网络，以期实现粘接层粘附性能与导电聚合物电学、力学性能的完美结合。具体设计原理见图1。

图1. 导电聚合物涂层强力粘附的设计原理

这种设计策略简单有效，能够实现水性体系中导电聚合物在多种基底材料上的强力粘附。粘附性能测试结果（图2）表明含PU粘接层的PEDOT:PSS水凝胶在玻璃基板上表现出高剪切强度（> 120 kPa），而未经处理的对照样品剪切强度非常低（0.08 kPa），很容易从基板上脱落。此外，PEDOT:PSS、聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PAni）等不同导电聚合物材料，涂布在含PU粘接层的氨基功能化玻璃基板后，其剪切强度均显著高于对照样品。值得注意的是，剪切试验中导电聚合物材料均发生了内部力学破坏，这说明粘结界面强度要高于导电聚合物自身强度。此外，该方法还具有优异的基底普适性，能够实现硬/软、绝缘/导电等多种基底的强力粘附，如玻璃(抗剪强度160 kPa)、聚酰亚胺(抗剪强度116 kPa)、PDMS(抗剪强度111 kPa)、ITO玻璃(抗剪强度149 kPa)和金(抗剪强度146 kPa)等。

图2. 水性体系中导电聚合物在各种基材上的强力粘附

导电聚合物涂层强力粘附的长期稳定性是各种生物电子器件功能及寿命的重要保障条件。通过长时间超声测试发现，滴涂PEDOT:PSS薄膜在含PU粘接层基底上连续超声10 min力学及电学性能无明显变化，而在无PU粘接层ITO玻璃电极上PEDOT:PSS薄膜在PBS中超声不足1 min即完全脱落。长期循环伏安扫描显示，所制备的PEDOT:PSS强力粘附涂层具有可逆的氧化还原活性，扫描10000圈后无界面脱粘现象，电荷存储能力降低小于6%，长期稳定性优异。同时，团队发现这种强力粘附界面的设计策略同样适用于电化学聚合法沉积导电聚合物涂层，且电沉积导电聚合物涂层在超声或者长时间循环伏安扫面下力学、电学、电化学等性能的长期稳定性优异。

图3. PEDOT:PSS水凝胶强力粘附的力学及电化学稳定性

团队成员进一步以商业化生物电极为例验证了这种导电聚合物强力粘附界面设计的实用性及与现有产品的兼容性。电沉积 PEDOT:PSS能够有效提高各种生物电极产品的电学性能，然而电沉积导电聚合物涂层在生理环境中的稳定性差、易脱落等问题，极大地限制了其实际应用。研究团队分别在商业化的高密度平面金电极和铂神经电极表面成功利用电化学聚合制备了PEDOT:PSS坚韧粘附涂层，有效增强了商业化电极的电学性能，同时电极稳定性优异，超声1小时不发生明显力学降解。

图4. 导电聚合物水下强力粘附用于商业化生物电极产品

本工作所报道的导电聚合物强力粘附生物电子界面的制备方法简单、普适性强，且材料选择范围广，如其他亲水性聚合物（PVA等）也可用作粘接层，同时加工工艺与导电聚合物现有加工技术兼容性良好，可与商业化生物电极集成用于各类高性能生物电子器件或设备。

大家点评

斯坦福大学化学工程学院院长、美国国家工程院院士鲍哲南教授在接受MIT新闻采访时对该工作评价说：“I think this is a great piece of work,” says Zhenan Bao, a professor of chemical engineering at Stanford University, who was not associated with this research. “Wet adhesives are already a big challenge. Conductive adhesives that work well in wet conditions are even more rare. They are very much needed for nerve interfaces and recording electrical signals from the heart or brain.” Bao says this work “is a major advancement in the bioelectronics field.”

MIT访问学者、日本JSR株式会社Akihisa Inoue博士、MIT博士生 Hyunwoo Yuk以及江西科技师范大学卢宝阳教授为论文的共同作者，MIT终身教授赵选贺为通讯作者。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaay5394.full?from=groupmessage

卢宝阳教授就职于江西科技师范大学柔性电子创新研究院，担任常务副院长。入选江西省“双千计划”科技创新高端人才项目、江西省主要学科学术与技术带头人、江西省杰出青年人才计划、江西省百人远航工程。曾获中国青少年科技创新奖、江西省自然科学奖一等奖、江西省高校科技成果一等奖等多项科研奖励。主持国基3项、省级重点项目等十余项。目前实验室经费充裕，拥有年轻和谐的科研团队，一流的公共科研平台以及良好的工作氛围。主要研究方向为：

• 高性能导电聚合物合理设计；

• 导电聚合物加工及器件化；

• 动态表界面调控；

• 导电聚合物在人机交互界面上的应用。

研究院目前拟全职引进材料类、化学类、电子类等相关学术背景的博士数名，待遇优厚，有意者请将个人简历（pdf）发送至卢宝阳教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明“姓名+专业+毕业学校”。

MIT赵选贺团队（http://zhao.mit.edu）专注推动软材料和人机共融科技，最近的成果包括：

生物电子方向（Bioelectronics）

• 定义水凝胶生物电子学（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)

• 首次实现导电聚合物水凝胶和多种基底的坚韧粘附。

• 首次提出纯PEDOT:PSS高性能导电水凝胶机理、制备及图案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019) 

• 首创可食用水凝胶电子并用来长期监测核心体征 Nature Communications, 10， 493 (2019) 

• 首创可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

生物粘合方向 （bioadhesives）

• 首次提出干燥交联（dry-crosslinking）机理,用于粘合各种潮湿表面（wet adhesion）。发明人体双面胶（tissue double-sided tape），能够在5秒内粘合软湿组织器官和植入设备，并保持长期坚韧、柔软且生物兼容。Nature 575 (7781), 169-174 (2019)

• 首次提出水凝胶抗疲劳粘结 （fatigue-resistant adhesion）的机理并实现与各种材料的抗疲劳粘结 Nat. Commun.,2020, https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3

• 首次提出水凝胶超韧粘结 （tough adhesion）的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials 15, 190 (2016)

• 首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物（hydrogel-elastomer tough hybrid）并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

生物医疗机器人方向 （biorobots）

• 首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 558, 274 (2018)

• 首创铁磁软体导丝机器人，并遥控巡航复杂血管网络 Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)

水凝胶方向 （hydrogels）

• 提出抗疲劳水凝胶材料的设计原理，并首次实现超高抗疲劳断裂（anti-fatigue-fracture）水凝胶材料 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)；PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)

• 首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

• 首创液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

• 首创超高拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

• 首次实现各种医疗仪器上的超韧水凝胶涂层  Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)

• 首创并3D打印可拉伸生命器件 （stretchable living devices）PNAS, 114, 2200 (2017)；Advanced Materials, 1704821 (2017)

失稳方向 （Instabilities）

• 首次应用力学失稳得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)

• 首次提出可重复折叠大面积石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)

• 首次发现并解释电致褶皱（electro-creasing）和电致空穴（electro-cavitation）现象  Physical Review Letters, 106, 118301 (2011)；Nature Communications, 3, 1157 (2012).

综述

• 定义水凝胶机器 (hydrogel machines) Materials Today (2020)

• 定义水凝胶生物电子学（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)

• 系统阐述水凝胶增强 （high strength）的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

• 系统阐述多种水凝胶增韧（high toughness）的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

关注高分子科学技术 👉

长按二维码关注

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina
（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多