PEDOT:PSS水凝胶，最新Science子刊

通过激光诱导相分离对高导电水凝胶生物电子学进行数字选择性转换和图案化

由导电聚合物制造的水凝胶是有前景的电极材料。特别是由聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)组成的导电水凝胶，因其独特的电和离子双重导电性和优异的生物相容性而备受关注。然而，大多数PEDOT:PSS水凝胶是通过传统的制造工艺制备的，例如光刻、喷墨印刷和丝网印刷，制备步骤复杂、空间分辨率低。且用于制造PEDOT:PSS水凝胶的添加剂大多具有细胞毒性，需要数天的解毒时间。因此，开发新的PEDOT:PSS水凝胶的图案化工艺是生物电子应用面临的挑战。

韩国首尔国立大学Seung Hwan Ko教授团队联合建国大学C-Yoon Kim教授团队通过激光诱导的相分离为PEDOT:PSS水凝胶开发了一种以前未开发的超快和生物相容的数字图案化工艺。通过选择性激光扫描增强了PEDOT:PSS的电性能和水稳定性，从而使PEDOT:PSS转变为水稳定性水凝胶。PEDOT:PSS水凝胶在水中显示出670 S/cm的高电导率和6-μm的分辨率。此外，即使在生理环境中6个月后，电化学性能仍保持不变。最后，进一步展示了使用激光制造的水凝胶电极进行稳定的神经信号记录和刺激。该研究以题为“Digital selective transformation and patterning of highly conductive hydrogel bioelectronics by laser-induced phase separation”发表在《Science Advances》上

【导电聚合物的激光诱导相分离】

将PEDOT:PSS转化为水稳定水凝胶的关键策略是重新设计PEDOT:PSS的相分布。激光可以对PEDOT:PSS同时提供光热能量和电场。光热能局部地使PEDOT和PSS两相系统不稳定，然后强电场将PEDOT和PSS分开。然后，由于激光扫描后PEDOT：PSS迅速冷却至室温，PEDOT：PSS的相位分布固定在分离状态。使用乙醇作为溶剂的等离子体金纳米粒子（AuNP）墨水与PEDOT:PSS混合以增强激光吸收，从而通过快速升温和放大电场使PEDOT和PSS分离和重结晶。只有经过激光扫描的零件具有高导电性，水稳定性大大提高。在多次溶胀和干燥循环后，图案分辨率和电性能仍保持不变。

图1：导电聚合物的激光诱导相分离

【导电聚合物的相分离分析】

较高的AuNP体积分数增强了激光的吸收并增加了热和电场效应。然而，当添加过量的AuNPs油墨时，PEDOT:PSS的相对含量不足以在富含PEDOT的域之间形成稳定的导电网络。在最佳激光条件下，PEDOT:PSS的电导率和水稳定性随着激光功率的增加而增加；然而，在高功率条件下，PEDOT:PSS碳化，其电导率开始下降。微图案化的高电导率PEDOT:PSS水凝胶具有6 μm的高图案分辨率，这与涉及多个复杂过程的光刻相似。X射线光电子能谱(XPS)分析与拉曼光谱拟合数据解释了提高了导电性和水稳定性的原因。

图2：激光处理的PEDOT:PSS分析

【PEDOT:PSS水凝胶的应变与稳定性表征】

在去离子水中对PEDOT:PSS水凝胶进行了拉伸测试。应力-应变曲线揭示了AuNP墨水和激光在软化PEDOT:PSS水凝胶方面的协同作用。研究了完全水合激光处理的PEDOT的电阻变化。随着金纳米粒子浓度的增加，机械变形下的电稳定性得到改善。对电稳定性最高的样品重复拉伸测试，即使在15%应变下5000次循环后，电阻仍然保持稳定。通过电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)进一步表征了PEDOT:PSS水凝胶的电化学特性。此外，样品在小瓶中孵育6个月后的EIS和CV的结果表明，电化学性能保持良好（CSC/CSC 0=1.14，Z/Z 0=1.74），非常适合长期生物电子运行。

图3：PEDOT:PSS 水凝胶在水环境中的表征

【PEDOT:PSS水凝胶的生物相容性】

由于激光工艺的无菌特性，对比传统方法它不需要额外的清洁步骤。活/死细胞测定结果显示对照组和水凝胶组之间具有密度相似的绿色荧光活细胞；然而，传统方法组中观察到更多具有红色荧光的死细胞，细胞活力也显着降低。比较制备的电极植入的小鼠体内反应。结果显示使用该方法制备的电极的炎症信号与对照组的信号相当，并且显着低于传统刚性电极的信号；同时小鼠展现出正常的步态和关节运动，而植入了刚性电极的动物行动轨迹发生了显着变化，步幅缩短。最后，为了验证该方法作为生物电子设备生产手段的潜力，作者进行了神经信号记录和神经刺激。

图4：PEDOT:PSS水凝胶的生物相容性和行为分析

图5：生物电子应用

【小结】

综上所述，该研究提出了一种通过激光诱导相分离过程对高性能PEDOT:PSS水凝胶进行微图案化的策略。开发的水凝胶显示出高电学特性和精细图案分辨率，并在生理环境中长时间保持其电学和电化学特性。PEDOT:PSS水凝胶的材料特性可以通过控制AuNP浓度和激光参数来调节。该工艺对于需要在电解质中具有优异的水稳定性和高电性能的电极材料的各种工程领域，如生物电子学、能源设备和电子皮肤设备等领域，具有广大的前景。

来源：高分子科学前沿

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