【人物与科研】西南交通大学鲁雄教授课题组：利用仿贻贝氧化还原活性的二维导电PEDOT纳米片构建可黏附生物柔性电子

导语

通过贻贝启发的多酚化学构建的粘附水凝胶，由于具有超强的粘附性能而引起研究者的高度关注。贻贝通过分泌黏附蛋白来实现在各种表面上的超强黏附，但是在海水中，这些蛋白上的黏附基团（酚羟基）容易被氧化成醌基而失去粘性。为了保持持久粘附的能力，贻贝通过分泌具有还原活性的蛋白，用来维持粘附蛋白上的醌基和酚羟基的动态平衡。近年来，西南交通大学鲁雄课题组基于仿贻贝多酚化学开发了多种可反复长期黏附的多功能水凝胶，包括基于纳米限域空间控制酚-醌基的氧化平衡（ACS Nano 2017, 11, 2561）；基于电子转移维持水凝胶网络中多酚的酚-醌基的氧化平衡（Nature communications, 2019, 10, 1487; Adv. Funct. Mater. 2019, 1907678）。

鲁雄教授简介

鲁雄教授2004年毕业于香港科技大学，获博士学位。现就职于西南交通大学材料学院生物医学工程系。先后入选教育部新世纪优秀人才资助计划（2010），四川省杰出青年学术技术带头人资助计划（2011），日本学术振兴会博士后研究员（JSPS fellow, 2011-2013）。先后主持国家自然科学基金，国家重点研发计划课题，863 子课题，教育部新世纪人才基金，四川省杰出青年基金等项目多项。鲁雄教授主要从事生物材料基因工程、生物材料计算模拟、生物医用功能高分子凝胶材料设计与制备等方向的研究。相关研究结果在国际著名学术期刊发表SCI论文160余篇。近年来，鲁雄教授课题组在新型生物材料材料设计与制备方面取得了一系列进展，研究成果已先后发表于Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Material、Small、Chemistry of Materials等具有国际影响力的期刊上。

前沿科研成果

利用仿贻贝氧化还原活性的二维导电PEDOT纳米片构建可黏附生物柔性电子

图1. 氧化石墨烯模板构建二维导电聚合物PEDOT纳米片

（来源：Advanced Functional Materials）

氧化石墨烯（GO）是一种具有大比表面积和含有丰富官能团（如羟基、环氧基、羧基）的2D纳米片，通常被用来作为无机材料自组装的模板。然而，制备以GO为模板的导电聚合物PEDOT纳米片存在以下难点。首先，PEDOT由于其氧化态的π-共轭噻吩环带正电，因此PEDOT需要掺杂负电性基团以平衡电荷。因此，必须用合适的官能团修饰GO以充当PEDOT的掺杂剂。其次，GO和PEDOT的官能团之间的相互作用不足以在GO表面上诱导PEDOT组装。为了克服这些问题，鲁雄教授课题组用两步法对GO进行功能化：1）在GO表面上引入磺酸基团，作为PEDOT的掺杂基团，制备磺化氧化石墨烯（SGO）；2）通过PDA功能化修饰SGO，将酚羟基引入SGO形成PSGO，增强与PEDOT之间的相互作用。同时，PDA能够部分还原氧化石墨烯，增加了PSGO-PEDOT的导电率。因此PEDOT可以在PSGO模板上组装形成导电的具有三明治结构的二维纳米片。重要的是，PSGO模板化的PEDOT（PSGO-PEDOT）纳米片具有丰富的亲水性和还原活性的酚羟基，因此将显示出良好的水分散性和氧化还原活性。这种PSGO-PEDOT纳米片由于富含大量的酚羟基，可以作为一种通用填料来制备超拉伸、导电和具有粘附性的水凝胶，并应用在生物电子等领域。

图2. PSGO-PEODT纳米片的性能表征

（来源：Advanced Functional Materials）

该纳米片具有“类三明治”结构。由于该纳米片中富含大量的酚羟基，因此能够在水溶液中长时间均匀分散，并且具有较大的固体溶解度。另外，该纳米片还具有良好的氧化还原活性，电导率可达到829.7 S/m，其弹性模量约11 GPa。

图3. PSGO-PEDOT-PAM水凝胶的粘附性能

（来源：Advanced Functional Materials）

PSGO-PEDOT纳米片能够赋予水凝胶良好的粘附性，可以在粘附在不同物体表面，如陶瓷、金属、塑料、新鲜果皮、新鲜组织等。另外，由于PSGO-PEODT纳米片中酚羟基/醌基可以形成动态氧化还原平衡，因此能够赋予水凝胶持久可重复的粘附性能。

图4. PSGO-PEDOT-PAM水凝胶的机械性能

（来源：Advanced Functional Materials）

PSGO-PEDOT-PAM水凝胶的机械性能优于PSGO-PAM水凝胶的机械性能。由于石墨烯含有大比表面积和较为丰富的官能团，可以与通过物理结合增强水凝胶的机械性能。本研究发现，PSGO-PEDOT纳米片更有利于改善水凝胶的机械强度，其对水凝胶具有出色的增强效果的原因是：首先，PSGO-PEDOT纳米片具有比GO更强的弹性模量；其次，PSGO-PEDOT纳米片上含有更加丰富的亲水基团，确保它在水凝胶基质中均匀分散，达到增强水凝胶的效果；其次，PSGO-PEDOT纳米片可以和PAM链之间形成非共价相互作用，起到能量耗散的作用，进一步提高水凝胶的机械性能。

图5. PSGO-PEDOT-PAM水凝胶的导电性及其应用

（来源：Advanced Functional Materials）

PSGO-PEDOT纳米片能够很好地分散在水凝胶基体中，赋予水凝胶优良的导电性。该导电水凝胶可以作为电子皮肤、生物传感器、生物电极等测量人体夫人生理信号。另外， PSGO-PEDOT-PAM水凝胶中由于酚羟基的存在，该水凝胶还具有良好的生物相容性，可以作为植入电极测量动物的在跳动和咀嚼时候的脑电信号。

PSGO-PEDOT纳米片由于具有良好的水分散性，能够很好地分散在水凝胶网络中，赋予水凝胶良好的导电性、超强机械性能、粘附性和生物相容性。PSGO-PEDOT纳米片显著改善了水凝胶的机械性能，这归因于纳米片本身的机械强度和纳米片与聚合物链网络之间非共价相互作用的协同效应。纳米片具有酚羟基/醌基团的动态氧化还原平衡，这有助于水凝胶实现可重复和长期粘附性。亲水性导电性纳米片很好地分散在水凝胶中，在水凝胶网络中形成连接良好的电子通路，并赋予其良好的导电性。PSGO-PEDOT-PAM水凝胶具有优异的导电性和粘附性，已成功用作粘性电子皮肤，用于检测ECG，EEG和EMG信号。PSGO-PEDOT-PAM水凝胶显示出良好的生物相容性，可用作体内生物信号检测的可植入生物电极。简而言之，PSGO-PEDOT-PAM水凝胶作为高灵敏度生物传感器具有巨大潜力，可用于人工智能，人机交互，可穿戴式个人医疗设备和植入式生物电子等领域。

该研究成果以“Graphene oxide-templated conductive and redox-active nanosheets incorporated hydrogels for adhesive bioelectronics”为题在线发表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201907678）。论文第一作者为在读博士研究生甘东林和硕士研究生黄自强，论文的通讯作者为鲁雄教授和谢超鸣副教授。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，广东省重点领域研发计划等项目支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：[e-mail]