??　　人體與各種電子器件的交互和融合是現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展最前沿的問(wèn)題之一。長(zhǎng)期穩(wěn)定高效的人機(jī)界面可能帶來(lái)對(duì)人體和生命前所未有的理解。目前商業(yè)化的生物電子設(shè)備大多是由金屬、硅、陶瓷、玻璃、塑料等組成的，在材料屬性及力學(xué)性能上與人體組織間的匹配性仍有待提高。水凝膠具有與人體各個(gè)器官相似的力學(xué)和生理學(xué)特性；兼具電學(xué)、力學(xué)、生物功能的可控性和多樣性，是人機(jī)界面的最理想載體之一（MIT趙選賀團(tuán)隊(duì)定義《水凝膠生物電子學(xué)》）。

　　然而，絕大多數(shù)水凝膠均為離子導(dǎo)電，且電導(dǎo)率一般低于1 S/m，嚴(yán)重限制了其在生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，現(xiàn)有導(dǎo)電水凝膠很難同時(shí)兼顧實(shí)際應(yīng)用需求的電學(xué)、力學(xué)、生物兼容性及穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異、高效且長(zhǎng)期穩(wěn)定的是目前人機(jī)界面交互及融合領(lǐng)域亟需解決的重要難題之一。

　　MIT機(jī)械工程系趙選賀教授團(tuán)隊(duì)與江西科技師范大學(xué)徐景坤教授團(tuán)隊(duì)合作最新發(fā)表在Nature Communications上的研究論文（Pure PEDOT:PSS hydrogels, Nature Communications2019, 10, 1043）報(bào)道了一種簡(jiǎn)單有效的制備高性能導(dǎo)電聚合物水凝膠的方法。該方法通過(guò)添加可揮發(fā)極性溶劑DMSO來(lái)處理PEDOT:PSS水溶液，再干燥淬火進(jìn)一步促進(jìn)PEDOT與PSS的相分離，使其產(chǎn)生分布均勻的納米纖維狀互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)控制該結(jié)構(gòu)在水體系中的溶脹行為（主要為親水性PSS的溶脹）可獲得穩(wěn)定的純PEDOT:PSS水凝膠（圖1）。

圖1.PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)及純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠設(shè)計(jì)原理

　　干燥過(guò)程監(jiān)測(cè)及溶脹行為研究發(fā)現(xiàn)，PEDOT:PSS的干燥過(guò)程直接影響其水凝膠的溶脹行為（圖2）。各向同性的干燥淬火過(guò)程（無(wú)力學(xué)約束條件）使PEDOT:PSS展現(xiàn)出各向同性的溶脹行為，而PEDOT:PSS溶液的各向異性干燥過(guò)程致使其產(chǎn)生厚度方向的單向溶脹。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS的溶脹行為也受到極性溶劑添加量以及溶脹體系離子濃度的影響。

圖2. PEDOT:PSS的干燥過(guò)程及溶脹行為研究

圖3. 純PEDOT:PSS水凝膠的力學(xué)、電學(xué)及電化學(xué)性能研究

　　力學(xué)測(cè)試結(jié)果（圖3）表明純PEDOT:PSS水凝膠自支撐薄膜在磷酸緩沖鹽溶液（PBS）中的楊氏模量為2~10 MPa，與常用彈性體如PDMS相當(dāng)，比目前生物電子設(shè)備中應(yīng)用的傳統(tǒng)電極材料低6~9個(gè)數(shù)量級(jí)，與人體組織的力學(xué)匹配性大幅提高。PEDOT:PSS水凝膠的斷裂拉伸率可達(dá)40%，明顯高于干燥的PEDOT:PSS薄膜（10%），與人體組織的拉伸性能更為匹配，比如神經(jīng)組織（20%）、皮膚（50%）等。同時(shí)，PEDOT:PSS水凝膠具有很高的電導(dǎo)率，在去離子水中高達(dá)40 S/cm（PBS：20 S/cm），是目前水凝膠電導(dǎo)率的最高值[1] 。

　　電極動(dòng)力學(xué)研究顯示PEDOT:PSS水凝膠電化學(xué)活性良好，且穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，循環(huán)伏安掃描20000圈電活性仍能保持90%以上。電荷存儲(chǔ)（Charge storage capacity）和注入（Charge injection capacity）容量這兩個(gè)生物電子應(yīng)用的重要參數(shù)分別達(dá)到60 mC/cm2和 8.3 mC/cm2，能夠滿(mǎn)足腦機(jī)接口、人機(jī)接口電極傳感器等性能要求。整體上，純PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠兼具高電導(dǎo)率、可拉伸性、低楊氏模量以及優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性（圖3），為實(shí)現(xiàn)高性能導(dǎo)電水凝膠的材料開(kāi)發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

圖4. 純PEDOT:PSS水凝膠的圖案化

　　復(fù)雜幾何形狀的電極制作及圖案化是生物電子設(shè)備的關(guān)鍵步驟之一。PEDOT:PSS水凝膠制備工藝的簡(jiǎn)便性使得導(dǎo)電水凝膠的復(fù)雜圖案化成為可能。作者利用墨水直寫(xiě)打印法（Direct ink printing）制備出波狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS圖案（圖4），干燥淬火后可以分別制備出有基底支撐和自支撐的圖案，通過(guò)控制溶脹過(guò)程獲得相應(yīng)的純PEDOT:PSS水凝膠圖案。這些水凝膠圖案展現(xiàn)出良好的柔性、穩(wěn)定性和基底附著力。[2] 

　　該工作由麻省理工學(xué)院趙選賀課題組（MIT Zhao lab）和江西科技師范大學(xué)徐景坤教授課題組共同完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授以及Robert N. Noyce Career Development 教授。MIT博士后盧寶陽(yáng)（江西科技師范大學(xué)副教授）和博士生Hyunwoo Yuk為該論文共同第一作者。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09003-5.pdf

背景閱讀：https://chemistrycommunity.nature.com/channels/1465-behind-the-paper/posts/44869-pure-pedot-pss-hydrogels