科学网—浙江大学徐凯臣评述：激光诱导高稳定导电水凝胶用于鲁棒生物电子
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2024-12-5 16:16
| 系统分类: 论文交流
研究背景
尽管由纯导电聚合物构成的导电水凝胶在生物电子领域展现出显著进展，但它们在长期监测中的界面黏附性和鲁棒性方面仍面临重大挑战。为了克服这些问题，Seung Hwan Ko和Taek-Soo Kim的团队开发了一种激光诱导相分离和黏附技术。该技术能够在聚合物基底上制造出由聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)构成的导电水凝胶。通过激光诱导相分离和粘附处理，可以将纯导电聚合物选择性地转化为导电水凝胶，这一方法在生物电子领域展现出广阔的应用前景。。
Laser-Induced Highly Stable Conductive Hydrogels for Robust Bioelectronics
Yibo Li, Hao Zhou, Huayong Yang, Kaichen Xu * .
Nano-Micro Letters (2025)17: 57
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01519-w
本文亮点
1. 通过 激光诱导相分离 和 粘附 的方法，成功实现了聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐水凝胶在聚合物基底上的稳定粘附。
2. 所制备的导电水凝胶表现出优异的湿电导率，高达 101.4 S cm⁻¹ ，空间分辨率低至 5 μm 。
3. 这种水凝胶在用于 长期高保真信号监测 的 鲁棒生物接口电极 方面具有广阔前景。
内容简介
软材料的进步极大地推动了生物界面电极的发展，尤其在可植入生物电子、可穿戴医疗设备和脑机接口等领域引起了广泛关注。导电水凝胶因其与生物组织相似的机械性能而受到青睐。特别是，基于纯导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的水凝胶，因其出色的生物相容性、电化学性能和机械性能，在软界面材料中显示出巨大潜力。然而，这些水凝胶在湿润的生理环境中的稳定性和界面粘附性仍然是挑战，可能导致分层问题。此外，为了实现长期实时监测，还需要高分辨率的图案化技术来精确记录信号和构建高密度阵列。 浙江大学徐凯臣等评述了Won等人提出的一种创新方法 ，通过激光诱导过程在聚合物基底上制造PEDOT:PSS水凝胶的生物界面电极，显著提高了湿粘附性。
图文导读
I 激光诱导PEDOT:PSS水凝胶
近日，SeungHwan Ko及其合作者提出了一种名为激光诱导相分离和粘附(LIPSA)的新技术，用于在聚合物基底上制造导电水凝胶(图1)。该技术通过背面激光扫描PEDOT:PSS与聚合物基底之间的界面，利用局部热效应诱导相分离。随后，使用乙二醇进行后处理，以优化PEDOT在水凝胶基质中的分散。这一过程不仅增强了PEDOT富集区域的连接，还在波浪形界面上诱导了机械锁定结构和点焊区域，显著提高了水凝胶的湿稳定性和粘附性，同时保持了高导电性。使用LIPSA方法制备的导电水凝胶展现出优异的湿电导率，湿态下达到101.4 S cm⁻¹，并且空间分辨率低至5μm。此外，该方法实现了64.4 N m⁻¹的剥离强度和62.1 kPa的搭接剪切强度，显示出水凝胶与聚合物基底之间的牢固粘附性。在生物电子应用方面，研究人员在大鼠模型中验证了水凝胶微电极阵列的概念，并展示了它们在大鼠大脑和心脏进行长期体内信号记录的潜力。
图1. 适用于鲁棒生物电子的强湿稳定和粘附性的激光诱导PEDOT:PSS水凝胶：(a)在聚合物基底上制造导电PEDOT:PSS水凝胶的LIPSA方法的示意图；(b)厚度方向相分离程度的示意图；(c)分子动力学模拟的框架；(d)自由活动大鼠的体内神经记录场景。插图：水凝胶探头的植入区域。
I I 总结
尽管LIPSA技术展现出巨大潜力，但其在实用性和广泛应用方面仍需进一步努力。基于此，我们提出基于PEDOT:PSS的生物界面电极未来拟发展方向：(i)高密度电极阵列图案化：神经探针的高时空分辨率对于神经记录(如皮质脑电图)至关重要，因为某些病理信号的空间尺度在亚毫米或微米级别；(ii)导电水凝胶的电导率增强：为了将这种生物接口电极应用于可植入的生物电子设备，需要进一步研究其捕获高保真生物信号的能力，这需要提高其电导性和长期监测的鲁棒性；(iii)基于软致动器的电极阵列：将电极与软致动器集成可能是一个突破性的发展，使电极能够适应复杂多样的生物结构。这种按需变形能力不仅增强了它们在复杂生理环境中的适应性和舒适度，还赋予了它们自愈能力，从而延长了它们在动态甚至恶劣生理环境中的使用寿命和可靠性。总之，通过激光诱导相分离，PEDOT:PSS水凝胶能够在湿润环境中稳定且选择性地附着到各种聚合物基底上，并已证明能够在神经电信号的长期体内监测中发挥作用。这种激光诱导相分离的方法在可穿戴和可植入生物电子应用中为开发可重复使用、鲁棒且界面稳定的软生物接口电极提供了关键途径。
作者简介
徐凯臣
本文通讯作者
浙江大学 百人计划研究员
▍ 主要研究 领域
基于多模式(超快)激光加工平台，重点围绕“激光融合制造柔性生物/共体电子”，开展应用基础研究，拓展医工信交叉融合应用。同时在激光融合/原位制造与微纳传感方面，致力于解决行业内的技术需求。
▍ 个人简介
浙江大学百人计划研究员，博导。入选国家级青年人才计划，日本学术振兴会(JSPS)特别研究员。于2018年在新加坡国立大学获博士学位，导师为洪明辉教授(新加坡工程院院士，现为厦门大学陈嘉庚讲席教授)，随后前往大坂公立大学从事博士后研究，合作导师为Kuniharu Takei教授。现任职于浙江大学机械工程学院(杨华勇院士团队)。主要从事多功能柔性生物/共体电子制造、激光融合/原位制造研究。在Nature Electronics等发表论文50余篇，授权中美日发明专利20余项，主持或参与科技创新2030重大项目、国家自然科学基金(海优/面上/青年)、浙江省重大项目、浙江省尖兵计划等多项国家级、省部级项目，与中国商飞、隆基绿能等企业开展深入合作，担任《极端制造(英文)》，《生物设计与制造(英文)》，《光电工程》等期刊副主编/编委，获MINE优秀青年科学家奖。
▍ Email： xukc@zju.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑： 《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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