NC：通过水分散性导电聚合物提高水凝胶导电性用于可注射生物电子学

摘要

生物电子设备在医疗诊断和治疗领域具有变革性潜力。然而，传统电子植入物通常需要侵入性手术，且在机械性能上与生物组织不匹配。可注射水凝胶生物电子学提供了一种微创替代方案，能够与软组织无缝连接。一个主要挑战是生物电子系统的导电性低，这源于导电添加剂在水凝胶混合物中的分散性差。我们通过使用亲水性生物大分子设计掺杂条件，增强导电聚合物在水体系中的分散性来解决这一问题。与传统方法相比，该方法使分散性提高了 5 倍，导电性提升了 20 倍。所得导电聚合物在分子水平和体内均可降解，适用于瞬态生物电子学应用。这些添加剂与各种水凝胶体系（如海藻酸盐）兼容，可形成离子交联导电墨水，用于 3D 打印可穿戴电子设备，以实现高性能生理监测。此外，将导电填料与基于明胶的生物粘附水凝胶相结合，可大幅提高可注射密封剂的导电性，在慢性伤口监测的 pH 传感中实现了高出 250% 的灵敏度。我们的研究结果表明，亲水性掺杂剂可有效定制用于水凝胶填料的导电聚合物，增强其生物降解性，并扩大其在瞬态植入式生物监测中的应用。

1. 引言

生物电子设备因其在感知生物信号和刺激受损组织方面的巨大潜力，改变了医学诊断和治疗的格局 。然而，将这些设备与内部器官连接通常需要侵入性手术，再加上与组织微环境的机械不匹配，导致其长期性能出现严重问题。这些问题主要源于纤维化、整合不良以及对周围天然组织的损伤。软性可注射生物电子学正成为一种有前途的解决方案，通过微创方法（如通过针头和导管输送）实现良好的组织连接 。

水凝胶在与可注射平台无缝集成方面展现出出色的多功能性，这推动了对作为可注射生物电子学的导电水凝胶的需求。水凝胶生物电子设备是通过在亲水性聚合物网络中加入导电添加剂制成的。这些网络可以进一步设计，以引入各种功能，包括组织再生效应、刺激响应性、生物粘附性等。

传统导电材料（如金属和碳基添加剂）尽管具有高导电性，但存在免疫原性和细胞毒性风险。相比之下，导电聚合物，特别是聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），具有生物相容性和可调节的化学性质，但面临聚集和渗滤网络不良的挑战，导致导电性较低。

尽管已有研究尝试用 PEDOT 提高水凝胶的导电性并取得了显著成果，但这些方法通常涉及干燥步骤和细胞毒性相分离引发剂等过程，使其不适用于可注射生物电子学。因此，许多文献使用 PEDOT:PSS 作为填料，为微创和 3D 打印应用的水凝胶平台赋予导电性。PEDOT 水凝胶复合材料的主要限制在于其在水体系中的分散性差，这是由于 PSS 主链中的疏水基团导致的聚集，从而限制了其导电性。

为应对这些挑战并实现高性能可注射生物电子学，我们提出了一种策略，即使用天然衍生的亲水性掺杂剂而非 PSS 来提高 PEDOT 水凝胶的导电性（图 1a）。我们假设 PSS 的疏水性聚苯乙烯主链导致干燥的 PEDOT:PSS 分散性差。因此，我们选择具有丰富极性基团的海藻酸盐作为亲水主链，并对其进行磺化改性（磺化海藻酸盐，AlgS），使其在 PEDOT 聚合过程中作为掺杂剂替代 PSS。增强的亲水性使冻干的 PEDOT:AlgS 在水凝胶中的再分散浓度比 PEDOT:PSS 高出约五倍，从而使水凝胶中可实现的电导率阈值提高一个数量级（图 1b）。此外，这种方法为瞬态生物电子学应用提供了分子水平和体内的可降解性。

2. 结果与讨论

2.1 水分散性 PEDOT 导电添加剂的设计与表征

PEDOT:AlgS 的合成包括两步反应：（1）使用氯磺酸（CSA）对海藻酸盐（W201502，-200 kDa ）进行磺化改性，得到带负电荷的亲水性 AlgS 掺杂剂；（2）在 EDOT 的氧化聚合过程中，使用所得的 AlgS 对 PEDOT 进行掺杂，得到 PEDOT:AlgS 导电聚合物（图 1a）。AlgS 的傅里叶变换红外（FTIR）光谱在 1200 cm⁻¹ 处出现峰，表明在第一步反应中磺酸盐基团发生了共轭。磺化度结果（补充图 1d）表明，当 CSA 浓度超过 1.5% w/v 时，海藻酸盐中约 37% 的羟基发生了转化，此后趋于平稳。因此，在后续实验中，将 2% w/v 的 CSA 浓度确定为上限。尺寸排阻色谱（SEC）测试显示出一致的趋势，随着 CSA 浓度的增加，峰轻微向更高保留时间移动，表明磺化过程中海藻酸盐链发生了轻微降解。

用磺酸盐基团对海藻酸盐进行功能化显著提高了 AlgS 的水溶性。在 AlgS 的最高可溶浓度下，测试了其与多价阳离子形成水凝胶的能力。记录到暴露于离子溶液后数秒内即发生快速交联并形成凝胶点。5 分钟时的储能模量表明，磺化阻止了海藻酸盐通过二价 Ca²⁺阳离子进行离子交联，但更高价态的 Fe³⁺阳离子仍可形成 AlgS 水凝胶。虽然磺化中断了海藻酸盐的离子缔合，这可能是由于空间位阻和构象变化，但通过增加 AlgS 含量仍可实现相当的机械性能。

通过紫外 - 可见光谱（UV-vis）（图 2a/b ）研究 PEDOT:AlgS 体系中 PEDOT 的聚合过程，发现最初几个小时内形成了 EDOT 二聚体和三聚体，在 256 nm 处出现尖锐峰 。400 - 600 nm 的宽吸收带对应于 PEDOT 中性态下的 π→π* 跃迁。600 - 900 nm 和 700 - 1200 nm 波长范围内的近红外吸收带分别表明由于 AlgS 的阴离子磺酸盐基团掺杂，转变为极化子态和双极化子态 。结果还表明，透析和冻干后掺杂态得以保留。这一趋势与之前关于 PEDOT:PSS 聚合的报道一致 。PEDOT:AlgS 样品的 FTIR 光谱在 1358 cm⁻¹ 处出现峰，这是由于 PEDOT 醌式噻吩环中的 C-C 和 C=C 伸缩振动，而 C-S 伸缩振动在 984 cm⁻¹ 处产生强峰。SEC 测试显示，随着 EDOT 含量和磺化度的增加，峰向更低保留时间移动（图 2c），表明形成了更大分子量的 PEDOT 结构。

干燥状态下 PEDOT:AlgS 的电导率与海藻酸盐磺化度高度相关，表明其掺杂效应。考虑到 PSS 和 AlgS 掺杂剂的聚合动力学差异，将 PEDOT:AlgS2 的聚合时间设为 2 天，以达到与标准 PEDOT:PSS 对照样品（通常合成时间为 1 天 ）相当的干电导率。使用固态阻抗谱评估磺化度和 EDOT 含量对聚合物薄膜交流性能的影响。在 Randles 电路模型 中，PEDOT 的欧姆电阻 Rp 与磺化度高度相关。总体而言，直流和交流电学表征表明，当 EDOT 含量大于 0.5 ml 时形成了渗滤网络，这与市售 PEDOT（Clevios PH1000）的配方相当。后续表征使用更高的 0.9 ml EDOT 含量，以展示 AlgS 掺杂剂在水体系中高浓度分散更大 PEDOT: 掺杂剂比例的能力。从微观结构角度看，扫描电子显微镜（SEM）图像（图 2d/e）显示，冻干的 PEDOT:PSS 过度聚集，形成亚毫米级的片状颗粒。在这些图像中，根据其独特的形态识别出观察到的相（PEDOT、PSS 和 AlgS），多孔结构对应亲水性聚合物相（掺杂剂），聚集体对应 PEDOT。虽然这些结果与动态光散射（DLS）数据（图 3a）吻合良好，但仍需要进一步的化学分析来验证所确定的相归属。在 PEDOT:PSS 组中，PEDOT 和 PSS 明显存在不均匀的相分离，而冻干的 PEDOT:AlgS 泡沫在 AlgS 相中形成均匀分布的纳米颗粒（~100 nm）。PEDOT:AlgS 中 PEDOT 的这种纳米级结构有助于冻干 PEDOT 在水体系中的高浓度再分散（图 3a），而 PEDOT:PSS 中的 PEDOT 负载由于 PEDOT:PSS 薄片之间的宏观空间位阻而受到限制。

2.2 冻干 PEDOT 聚合物的水再分散性

虽然透析和冻干对于去除有毒副产物以及在可控的高浓度水体系中再分散基于 PEDOT 的聚合物至关重要，但这些过程会加剧 PEDOT 的聚集 。在这里，通过用 AlgS 掺杂实现了增强的分散性，与 PSS 相比，所得颗粒尺寸更小且亲水性更强（图 3a）。DLS 数据显示，在相同的 0.9 ml EDOT 含量下合成时，PEDOT:AlgS 的尺寸分布比 PEDOT:PSS 小一个数量级（图 3b）。PEDOT:AlgS 的流体动力学尺寸随着磺化度和 EDOT 含量的增加而增大（补充图 7a），这是由于聚合程度更高。zeta 电位测量（图 3c）表明，PEDOT:AlgS 中的净负电荷随着磺化度的增加而增加，达到 PEDOT:PSS 对应物的约两倍。这些排斥力有助于在水中实现更好的分散稳定性，如图 3d 所示。一项为期 3 个月的长期研究（补充图 7b）也证实了磺酸盐共轭物在胶体稳定性中的关键作用，这对于 3D 打印应用中的结构均匀性和墨水流动性至关重要。

随着海藻酸盐的磺化，PEDOT:AlgS 的分散极限得到提高（图 3e），比 PEDOT:PSS 高出约 4 - 5 倍，因为海藻酸盐的亲水主链促进了与水分子的相互作用。这种亲水性反映在补充图 7c 的接触角结果中，PEDOT:AlgS 的接触角（26°）明显低于 PEDOT:PSS（48°）。低磺化度下（即 AlgS0.5）PEDOT:AlgS 的分散性差，突显了磺酸盐基团在实现 PEDOT 水相分散性中的关键作用。粘度 - 剪切速率特性（图 3f ）表明，10% w/v 的 PEDOT:PSS 溶液的粘度比 PEDOT:AlgS 高得多。同样，与以相同 PEDOT 与掺杂剂比例（1:2.5）合成的 PEDOT:AlgS 相比，市售 PEDOT:PSS 溶液在相似浓度（1.3% w/v）下的粘度大～15 倍，如补充图 7f 所示。这一结果不仅表明 PEDOT:AlgS 具有更好的分散性，还表明与 PSS 相比，AlgS 掺杂剂允许更高的 PEDOT: 掺杂剂比例。粘度 - 剪切速率曲线的下降趋势显示了 PEDOT 溶液的剪切稀化特性，这是静电水凝胶的典型特征，表明其具有可注射性 。使用基于海藻酸盐的掺杂剂评估离子交联性表明，PEDOT:AlgS 对 Fe³⁺具有离子响应性，而 PEDOT:PSS 则没有这种响应（图 3g）。

2.3 PEDOT 溶液的生物相容性和生物降解性

体内注射 5% w/v 的 PEDOT:PSS 溶液后，在植入一周内，PEDOT:PSS 周围形成了纤维囊（图 3h），而免疫细胞则浸润 PEDOT:AlgS 样品，试图分解聚合物。我们将 PEDOT:PSS 周围的纤维囊归因于其较高的分散粘度，阻止了细胞的浸润。在 11 周的长期植入过程中，PEDOT:AlgS 随着细胞浸润逐渐降解，而 PEDOT:PSS 在纤维囊内保持稳定。两组之间在毛囊或脂肪组织积累方面没有明显差异。免疫染色结果表明，在 PEDOT:AlgS 浸润的细胞中，巨噬细胞（F4/80+）、中性粒细胞（Ly6G+）和 T 细胞（CD3+）的数量有限。尽管如此，与 PEDOT:PSS 相比，PEDOT:AlgS 中免疫细胞的数量占现有细胞的比例要低得多，这意味着 PEDOT:PSS 引发的免疫反应更强。

为了解降解机制，在体外测试了聚合物水解驱动的分子量变化（图 3i）。PEDOT:AlgS 峰的衰减在 PEDOT:PSS 中不存在，这表明与 PEDOT:PSS 不同，PEDOT:AlgS 可水解降解。PEDOT:AlgS 增强的分子可降解性归因于 AlgS 主链上的可水解糖苷键，而 PSS 结构中不存在这些键。虽然 PEDOT 通常是稳定的，但海藻酸盐的副产物主要是海藻酸盐主链断裂形成的寡糖和单糖，包括磺化甘露糖醛酸（M）和古洛糖醛酸（G）残基。由于键的稳定性，预计 PEDOT 相将保持完整，但其较小的尺寸分布可促进其在体内的肾脏清除。虽然磺化增加了海藻酸盐的水解性，但磺化导致的海藻酸盐溶解度增加可进一步促进其从体内排出。这些降解副产物的代谢途径预计主要是通过肾脏排泄。我们注意到，虽然人类酶不会代谢磺化寡糖，但肠道中的某些细菌会产生海藻酸盐裂解酶 ，这可能通过糖苷键的酶促裂解进一步促进海藻酸盐的降解。这种生物降解性使 PEDOT:AlgS 适用于瞬态植入式生物电子学。

2.4 导电聚合物涂层

在 PEDOT:PSS 的滴铸涂层过程中，干燥时的裂纹形成一直是一个主要挑战 。在固体表面涂覆时，PEDOT:PSS 和 PEDOT:AlgS 的覆盖率均随聚合物浓度增加而增加，直至 2.5% w/v。然而，当 PEDOT:PSS 浓度进一步超过 2.5% w/v 时，会出现明显的裂纹和孤岛形成（图 3j），而 PEDOT:AlgS 则实现了几乎完全的表面覆盖，且缺陷极少。涂层的表面形态和相分布（由 2.5% w/v 溶液形成）表明，与 PEDOT:PSS 相比，PEDOT:AlgS 中 PEDOT（浅色区域）的晶粒尺寸更大，且在掺杂剂（深色区域）内分布更均匀。尽管通常认为较大的晶粒尺寸有助于提高导电性（由于边界和能量势垒较少 ），但 PEDOT:PSS 中 PEDOT 相的更大相分离和由此产生的互连性使其与 PEDOT:AlgS 具有相当的导电性。

2.5 基于水凝胶的 3D 打印软性生物电极

鉴于其出色的水分散性和溶液稳定性，PEDOT:AlgS 在可注射应用（如 3D 打印生物电子学）中具有巨大潜力（图 4a）。在海藻酸盐溶液中，PEDOT:PSS 作为墨水保持可注射性的最高可分散量约为 4% w/v，这使海藻酸盐溶液的导电性提高了约 8 倍（图 4b/c）。使用 PEDOT:AlgS 时，这一数字达到约 160 倍（比 PEDOT:PSS 高约 20 倍），因为其分散极限高达约 20% w/v。先前报道的将 PEDOT 掺入各种水凝胶中时相对电导率的变化显示，在基于 PEDOT 的可注射水凝胶中，PEDOT:AlgS 的相对电导率提高幅度显著更高，高出 1 - 2 个数量级。这里，我们强调相对于水凝胶基质的相对电导率变化，以突出 PEDOT 在欧姆导电性中的作用，排除离子传导和二次掺杂剂的影响。鉴于现有水凝胶（如海藻酸盐，电导率为 -7.1×10⁻⁴ S m⁻¹ ）的电绝缘性质，掺入 PEDOT:AlgS 的水凝胶（ -7.5×10⁻² S m⁻¹ ）的电导率低于纯 PEDOT 水凝胶的报道（10⁻³ - 10⁻⁵ S m⁻¹ ）。然而，需要注意的是，纯 PEDOT 水凝胶的制备通常需要干燥步骤，并使用有机溶剂或细胞毒性离子，这限制了它们在需要直接可注射性的场景中的应用。

通过电化学阻抗谱（EIS）对电荷传输过程进行了更深入的分析（图 4d ）。奈奎斯特图显示，与海藻酸盐 - PEDOT:PSS 相比，海藻酸盐 - PEDOT:AlgS 与 Zreal 的交点处阻抗更低，再次证明其导电性更高。基于 PEDOT 的聚合物的导电性包括通过渗滤电阻 Rp 的直接电荷转移，在海藻酸盐 - PEDOT:PSS 中，Rp 比海藻酸盐 - PEDOT:AlgS 大～3 倍。

在打印保真度方面（图 4e），4% w/v 的 PEDOT:PSS 在海藻酸盐中的溶液由于聚集和沉淀经历了多次堵塞事件，而 PEDOT:AlgS 溶液（浓度为 20% w/v）则可连续沉积，无明显缺陷。3D 打印结构在 25 mM FeCl₃溶液（其细胞相容性浓度极限）中进行交联。PEDOT:PSS 和 PEDOT:AlgS 与海藻酸盐结合后的分布和形态（图 4f ）显示，PEDOT:PSS 在海藻酸盐基质内聚集，而 PEDOT:AlgS 在海藻酸盐网络内形成高度均匀的分散体，这解释了观察到的导电性特征。

研究了导电藻酸盐墨水作为医疗设备中温度传感元件的潜在应用（图 4g）。发现在生理相关温度范围（20 - 40°C）内，含有 PEDOT:AlgS 的藻酸盐的温度敏感性比含有 PEDOT:PSS 的藻酸盐高约 75%。此外，作为概念验证，我们探索了基于藻酸盐的导电电极在电生理记录中的能力。通过附着在志愿者手腕上的电极进行心电图（ECG）测量（图 4h），含有 PEDOT:AlgS 和 PEDOT:PSS 的电极在两个连续 S 波之间的时间延迟分别为 0.71 s 和 0.69 s。这些数值对应的心率分别为 84 次 / 分钟和 87 次 / 分钟，处于 60 - 100 次 / 分钟的健康范围内。虽然 S 波的电位幅值相似，但 T 波的电位幅值比 PEDOT:PSS 观察到的约高 30%。同样，在举起 13 磅重物时，使用基于 PEDOT:AlgS 的电极记录的肌电图（EMG）信号幅值比使用 PEDOT:PSS 的电极高约 43%（图 4i），表明所提出的生物电极在生物监测界面方面的潜力。体外对植入应用的免疫活性评估进一步证实了这一潜力，结果表明，无论是用 PSS 还是 AlgS 掺杂的 PEDOT 都未引发炎症反应。

2.6 用于伤口监测的可注射智能生物粘合剂

可注射生物粘合水凝胶能够有效密封出血伤口。然而，伤口闭合后的感染控制仍是一大挑战，因为这需要对患者进行持续的实时监测。将基于 PEDOT 的聚合物等 pH 传感元件融入生物粘合剂中，是确保早期发现潜在感染并及时进行医疗干预的一种有前景的方法。如图 5a 所示，PEDOT 聚合物与可生物降解且可离子交联的生物粘合平台（儿茶酚改性明胶 - 咖啡酸偶联物，GelCA）相结合。PEDOT:AlgS 和 PEDOT:PSS 在 GelCA 中的分散极限与上述在藻酸盐基质中的情况相似，分别为 20% w/v 和 4% w/v，这突显了 PEDOT:AlgS 在水基水凝胶体系中具有更好的分散性。在 GelCA 中加入 PEDOT:PSS（尽管浓度较低），相比加入 PEDOT:AlgS 需要更剧烈的搅拌才能获得均匀溶液（图 5b）。我们观察到，向 GelCA 中加入 20% w/v 的 PEDOT:AlgS 后，其粘度（图 5c）和凝胶 - 溶胶转变温度均有所增加，且这些变化与加入 4% w/v 的 PEDOT:PSS 时相当。这些影响主要归因于 GelCA 网络中热敏氢键等动态相互作用的增强。

在拉伸力学性能方面，在分散极限浓度下，与加入 PEDOT:PSS 相比，加入 PEDOT:AlgS 使 GelCA 的弹性模量增加更为显著，这是由于高浓度的 PEDOT:AlgS 引入了更密集的动态相互作用。与 PEDOT:PSS 相比，加入 PEDOT:AlgS 后拉伸强度的增加也更为明显，不过在所有条件下，拉伸性方面没有显著差异。

补充图 19a 展示了预凝胶溶液的电导率。在分散极限浓度下，PEDOT:PSS 的电导率最多提高约 1.5 倍，而 PEDOT:AlgS 由于其优异的分散性，电导率提高幅度更大（约 7 倍）。使用 FeCl₃对 PEDOT:AlgS 水凝胶进行交联后，电导率进一步提高至约 9.5 倍，根据交联时间的不同，电导率甚至可提高至 35 倍以上。对掺入 PEDOT 的 GelCA 溶液进行的电化学阻抗谱（EIS）测试结果以及等效电路常数（图 5d），证实了 PEDOT - AlgS 添加剂赋予 GelCA 水凝胶导电性的能力更强。

对水凝胶中 GelCA 基质浓度进行调控，使其能够在胶原片组织模型上实现稳定的湿粘附。将 GelCA 含量提高至 12% w/v 时，可形成稳定的交联水凝胶，该水凝胶能够保持完整并粘附在胶原基质上。溶胀测试表明，GelCA 组和 GelCA + PEDOT:PSS 组出现明显溶胀，而 GelCA + PEDOT:AlgS 组未观察到溶胀现象，这可能是由于 PEDOT 的疏水部分含量较高，以及 AlgS 促进了更紧密的离子交联。如图 5e 所示，向 GelCA 中加入 PEDOT:PSS 或 PEDOT:AlgS 均可显著提高其体外粘附性能（猪肺爆破压力），这主要得益于水凝胶内聚力的增强。这种导电生物粘合剂的爆破压力比商业密封剂高出 5 倍。除了物理密封外，生物粘合剂的止血功效对于控制出血和促进伤口愈合至关重要。凝血时间测定（图 5f）表明，所有水凝胶均具有止血能力，这主要归因于用于交联的 Fe³⁺离子，以及 PEDOT 添加剂正负电荷所驱动的高密度静电相互作用。

在生理相关的 pH 范围内对水凝胶的 pH 传感功能进行了测试。计时电流法研究表明，电流随 pH 升高而增加，其中 GelCA - PEDOT:AlgS 的电流变化幅度明显大于 GelCA - PEDOT:PSS，整体灵敏度提高约 250%（图 5g）。这种增强是由于 PEDOT:AlgS 有助于将更多的 pH 响应性 PEDOT 部分融入水凝胶中。开路电位（OCP）数据也支持了计时电流法的测量结果。导电水凝胶中的 pH 传感通常归因于水凝胶溶胀促进的电子和离子迁移协同效应，以及氧化反应引发的儿茶酚 - 醌转化。然而，我们注意到在 GelCA - PEDOT:AlgS 中溶胀效应可忽略不计，而在其他条件下更为明显。在不同 pH 水平下，电导率在 1 周内保持稳定，表明儿茶酚氧化等不可逆反应的影响可忽略不计。在体内应用导电生物粘合剂监测伤口感染的实验表明，与基于 PEDOT:PSS 的生物粘合剂相比，PEDOT:AlgS 能够使感染引起的相对电流变化增大约 3 倍（图 5h）。经抗生素治疗后，PEDOT:AlgS 的电阻变化可完全恢复，这显示了 PEDOT:AlgS 添加剂在监测伤口状况方面的强大能力。在造成皮肤伤口 3 天后，对伤口感染的电流响应进行测试，观察到了类似的趋势，表明在伤口愈合过程中传感具有可持续性。

活/死染色成像结果表明，浓度高出 5 倍的 PEDOT:AlgS 和 PEDOT:PSS 均未在 GelCA 水凝胶中引起明显的细胞毒性。因此，添加基于 PEDOT 的添加剂不影响细胞增殖，这支持了所合成产品在潜在植入应用中的安全性。同样，PEDOT 添加剂在体内既未表现出明显的抗菌效果，也未影响伤口愈合特性。

3. 讨论

PEDOT:PSS 是一种常用的导电填料，用于提高医疗设备和应用（包括用于微创治疗的可注射软性生物电子器件）中水凝胶的导电性。掺杂条件对这些聚合物的特性（如电学性能和水分散性）起着关键作用。通过亲水性替代物对 PEDOT 进行掺杂是一种有效的策略，可提高 PEDOT 在水体系中的分散极限，使其在水凝胶中的分散浓度超过 20% w/v，比 PEDOT:PSS 高出 5 倍以上。由于形成了更紧密的渗流网络，这种方法使电导率阈值比 PEDOT:PSS 填料在其分散极限下可达到的值提高了 20 倍。此外，PEDOT 的长期分散稳定性也得到显著改善，使得 PEDOT:AlgS 成为适用于长期油墨储存和 3D 打印应用的稳定添加剂。与 PEDOT:PSS 不同，PEDOT:AlgS（由于使用藻酸盐衍生物作为掺杂剂）可与 Fe³⁺阳离子发生离子缔合，这表明其有机会与其他离子交联水凝胶体系（如藻酸盐和儿茶酚生物粘合水凝胶）更紧密地结合。这些特性，再加上其在体内可减轻纤维囊形成的出色响应，使 PEDOT:AlgS 成为植入式、可生物降解和可注射生物电子器件的理想选择。

将 PEDOT:AlgS 与水凝胶体系相结合，能够赋予基于明胶的生物粘合剂导电性，从而制备出可用于监测伤口感染等状况的智能密封剂。由于 PEDOT:AlgS 具有更高的分散极限，其相应电极的 pH 灵敏度大幅提高约 250%。

总的来说，用诸如 AlgS 等亲水性部分对导电聚合物进行掺杂，在可注射生物电子领域具有广阔的应用前景。我们设想，可以对各种天然生物分子进行改性，用于掺杂聚合物半导体，以设计出具有生物活性的电极，从而实现与组织更高效的界面连接，并对软性水凝胶等生物材料进行工程设计。这些添加剂与其他交联系统（如自由基光聚合）的可集成性，进一步拓展了它们在微创诊疗技术开发中的应用。此外，尽管在提高导电性方面已取得进展，但基于水凝胶的电极与金属电极相比，电导率仍然显著较低，这凸显了在该领域进一步创新的必要性。在这一领域的持续努力将为先进的可注射生物电子系统开辟新途径，使其能够在体内进行长期监测和治疗干预，从而在实时健康监测和神经接口等更多应用中发挥作用。最后，开展关于免疫反应和降解的长期体内研究，以及展示具有主动伤口愈合和抗菌特性的基于 PEDOT 的水凝胶，对于拓展其在伤口监测中的应用至关重要。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59045-1

来源：高分子凝胶与网络