《Nano Lett.》西南交大鲁雄/浙江树人学院姜丽丽：|多巴胺离子水凝胶电极用于生物电子领域的超级电容器

该文章针对可穿戴生物电子设备对能量存储器件的需求，提出了一种基于聚多巴胺介导纳米填料增强的两性离子水凝胶电极的全水凝胶超级电容器（AHSC）。该AHSC具有优异的能量存储性能、生物粘附性、与人体运动匹配的机械性能和生物相容性，克服了传统刚性电极和低组织亲和力电源设备的局限性。其创新点在于：红氧化石墨烯（rGO）锚定钴/镍双金属有机框架（Co/Ni MOF）的纳米填料设计：利用聚多巴胺（PDA）将Co/Ni MOF纳米颗粒锚定在rGO纳米片上，形成复合纳米填料（Co/Ni MOF-PGO）。Co/Ni MOF提供高能量存储性能，rGO增强导电性，PDA引入邻苯二酚基团，赋予生物粘附性。两性离子弹性体水凝胶电极：将Co/Ni MOF-PGO纳米填料集成到由HEA和DMAPS共聚的两性离子弹性体水凝胶中，制备出具有优异导电性、生物粘附性、生物相容性和人体运动匹配机械性能的水凝胶电极（Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA）。多功能AHSC的构建：将Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极与DMAPS-HEA/LiCl电解质组装成AHSC，实现高能量存储性能、生物粘附性、生物相容性和与人体运动匹配的机械性能。该研究为可穿戴生物电子设备提供了新型能量存储解决方案，并为植入式生物超级电容器和生物电子治疗开辟了新的途径。

图1. 多功能Co/Ni金属有机骨架（MOF）-氧化石墨烯（PGO）-DMAPS-HEA水凝胶电极和自适应超材料水凝胶皮肤粘合剂（AHSC）的制备示意图。(a) 制备Co/Ni MOF、PGO和Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶的步骤。放大部分显示了制备的Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极的内部结构。(b) AHSC的组装结构及其多功能概述，包括高能量存储性能、优化的身体运动匹配机械性能、生物粘附和生物相容性。放大的部分截面显示了氧化还原活性纳米填料的电化学反应，包括：i. 不同氧化态的钴和镍离子之间的赝法拉第反应，有助于能量存储性能；ii. 醌和儿茶酚的动态氧化还原反应，有助于多巴胺介导的水凝胶电极的生物粘附；以及iii. 在链接结构中有效的电子转移，这是由rGO加速的。

图2. (a) Co/Ni MOF的形貌，(b) 氧化石墨烯（GO）的形貌，以及(c) Co/Ni MOF-PGO纳米填料的形貌。(d) Co/Ni MOF的X射线衍射（XRD）图谱。Co/Ni MOF中(e) 钴元素和(f) 镍元素的X射线光电子能谱（XPS）谱图。(g) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶的照片。(h) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶的截面形貌。(i) 一系列水凝胶电极在50 mV s−1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。(j) 不同水凝胶电极的导电性。(k) 在直流偏压为0 V，正弦信号为10 mV，频率范围为100 kHz到0.01 Hz的条件下，不同水凝胶电极的奈奎斯特（Nyquist）图。(m) 将Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极用作植入电极，在大鼠背部进行生物相容性测试。(n) 植入(1) DMAPS-HEA，(2) PGO-DMAPS-HEA，和(3) 1% Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极后14天，周围组织的苏木精-伊红（Hematoxylin and eosin）染色。

图3. (a) 水凝胶电极粘附在作者的指尖上，并与手指运动相匹配。(b) 各种水凝胶电极在猪皮上的粘附强度。(c) 水凝胶电极在皮肤组织上经过反复剥离和粘附循环后的粘附强度；插图：电极在作者手臂上的反复粘附。(d) 所制备水凝胶电极的粘附机制：i. 凝聚机制和ii. 表面粘附机制。(e) 各种水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线。(f) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极的加载-卸载拉伸曲线。(g) 各种所制备水凝胶电极的断裂能量。(h) 各种水凝胶电极的典型压缩应力-应变曲线。(j) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极的加载-卸载压缩曲线。(k) 雷达图显示了Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极的电化学性能、导电性、粘附性以及优化的拉伸性和压缩性与文献31-34中研究的材料相比的对比。

图4. (a) AHSC作为能源用来点亮LED灯泡，并提供电刺激给手臂肌肉和猪心脏，以及分别获得的手臂和猪心脏电刺激的肌电图（EMG）信号。(b) AHSC的放电曲线，伴随着膝盖的运动，包括直弯状态的循环。照片展示了AHSC粘附在一位作者的膝盖上。(c) 在50 mV s−1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。(d) 在0.2 mA cm−2电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线。(e) 不同AHSCs的电容保持率与循环次数的关系。(f) 在100 mV s−1扫描速率下的CV曲线，(g) GCD曲线，以及(h)在不同拉伸条件下的电容变化。

期刊： Nano Letters

题目： Polydopamine-Mediated Nanofillers Reinforced Zwitterion Hydrogel Electrodes for Supercapacitors in Bioelectronics

作者： Lili Jiang,* Youjian Li, Yuming Cao, Donglin Gan, Fa Zou, Le Yuan, Denghui Zhang, Chaoming Xie,* and Xiong Lu*

接受日期：First published: 05 February 2025

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06324

来源：发光材料与器件应用