供稿人:韩康 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-06-14
导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)，由于其良好的电气和机械性能，已经在传感和刺激生物组织领域引起了广泛关注。然而现有的方法大多是将PEDOT:PSS和其他成分（如非导电聚合物）进行共混，但这会降低所得水凝胶的机械或电气性能。麻省理工学院的Xuanhe Zhao教授团队提出一种通过设计PEDOT：PSS纳米原纤维的互连网络，进而产生高性能的PEDOT：PSS水凝胶的方法。所得的纯PEDOT:PSS水凝胶表现出一系列适用于生物电子领域的特性，包括高电导率（PBS中约为20 S/cm，去离子水中约为40 S/cm），高拉伸性（> 35％应变），低杨氏模量 （~2 MPa），优异的机械，电气和电化学稳定性，以及在潮湿生理环境中可调的各向同性/各向异性溶胀。
在众多组织工程材料中，水凝胶因其独特的类组织机械性能、富水性、优越的生物相容性以及在设计性能方面的灵活性和多功能性而被认为是理想的生物组织界面材料。然而，传统的水凝胶在生理条件下离子电导率非常低（比金属电导率低6-9个数量级）。与常规水凝胶不同，导电聚合物水凝胶PEDOT:PSS具有电子和离子导电性，使其成为水凝胶生物电子学新兴领域中最有前途的材料之一。Xuanhe Zhao教授团队将挥发性添加剂二甲基亚砜（DMSO）混合到PEDOT：PSS水溶液中，然后进行可控的干燥退火和再水化，得到高性能的纯PEDOT:PSS水凝胶材料，用于复杂图案的可控制备，如图一所示。
图一 纯PEDOT:PSS水凝胶制备示意图：(a)PEDOT, PSS, DMSO化学结构；(b)不含DMSO的PEDOT:PSS干燥与溶胀工艺；(c)含DMSO的PEDOT:PSS的干燥退火与溶胀工艺
电极图案化是制造生物电子器件的关键步骤。为了证明纯PEDOT:PSS水凝胶具有制备复杂几何图形的能力，Xuanhe Zhao教授团队将添加了DMSO的PEDOT：PSS水溶液打印到基底上，制备了分辨率为400μm波浪状网格。打印结束后，在基底的机械约束下对复杂图案进行干燥退火，并在湿润的环境下再水化获得纯PEDOT:PSS水凝胶。如图二所示，可以将纯PEDOT：PSS水凝胶图案从低粘附力的基底（聚丙烯和聚二甲基硅氧烷）上剥离制成独立的结构，也可以通过在高粘附力的基底上进行图案化（聚对苯二甲酸乙二醇酯）将其制成坚固的层压板。
图二 纯PEDOT:PSS水凝胶图案：(a) PET基底上图案化的PEDOT:PSS溶液。(b) 独立的纯PEDOT:PSS水凝胶可以在PBS剥离制备; (c)纯PEDOT：PSS水凝胶图案的坚固层压板
该研究提出了一种简单而有效的方法用于制备了高性能的纯PEDOT:PSS水凝胶，同时进一步证明了所提出的方法可以稳定的将导电水凝胶制备为复杂的几何形状和各种形状因子。 当前研究不仅解决了高性能导电聚合物水凝胶开发中的长期挑战，而且为下一代水凝胶生物电子器件和应用提供了有希望的新途径。