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MIT赵选贺科研团队研发高性能纯导电聚合物水凝胶

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发表于 2019-3-20 17:39:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,MIT赵选贺团队提出形成稳定的导电聚合物纳米纤维互联网络是获得高性能导电聚合物水凝胶的关键。团队同时发明了一种简单有效的方法,用来设计高性能聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)水凝胶。所报道的纯PEDOT:PSS水凝胶电导率可达40S/cm,力学性能良好(拉伸率35%,杨氏模量2MPa),同时具有良好的电学、电化学及力学稳定性。纯PEDOT:PSS导电水凝胶的制备有助于加深人们对高性能导电水凝胶合理设计的理解,为新一代生物电子产品制作及应用提供了更佳的材料平台。
长期稳定高效的人机界面交互及融合要求界面材料同时具备高电导率、优异的稳定性、良好的生物兼容性以及与人体组织匹配的力学性能。导电聚合物水凝胶是实现人体和生物电子设备完美兼容的理想界面材料之一,然而现有导电水凝胶很难兼顾满足应用需求的电学、力学、生物兼容性及稳定性。
人体与各种电器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。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(更多详情请见最新综述:Hydrogelbioelectronics,ChemicalSocietyReviews,doi:10.1039/C8CS00595H,2018)。然而,绝大多数水凝胶均为离子导电,且电导率一般低于1S/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满足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、高效且长期稳定的水凝胶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。
麻省理工学院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课题组合作最新发表在NatureCommunications上的研究论文(PurePEDOT:PSShydrogels,NatureCommunications2019,10,1043.Link:https://rdcu.be/bp4cy)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如DMSO等处理PEDOT:PSS水溶液,干燥淬火进一步增加PEDOT与PSS的相分离,使其产生分布均匀的纳米纤维互联网络结构,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)。
MIT赵选贺科研团队研发高性能纯导电聚合物水凝胶
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。
图2.PEDOT:PSS的干燥过程及溶胀行为研究
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2~10MPa,与常用弹性体如PDMS等相当,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40S/cm(PBS中20S/cm),是目前水凝胶电导率的最高值之一。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(CSC)和注入容量(CIC)是生物电子应用的重要参数,PEDOT:PSS水凝胶CSC值可达60mC/cm2,CIC值为8.3mC/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。
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。作者利用墨水直接书写方法打印出波状网格结构的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,通过控制器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。
该工作由麻省理工学院活性软物质研究室(MITSAMSlab)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RobertN.NoyceCareerDevelopment教授。MIT博士后卢宝阳(江西科技师范大学副教授)和博士生HyunwooYuk为该论文共同第一作者。
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