《NSR》浙江大学徐凯臣：激光诱导PEDOT水凝胶电极！

随着生物医学技术的不断进步，植入式生物电子器件逐渐成为医疗领域的一个重要研究方向。导电水凝胶，因其突出的柔软性与导电性能，已在神经调控、疼痛管理等多个生物医学应用中展现出了广泛的应用前景。近日，浙江大学徐凯臣研究员课题组在《国家科学评论》（National Science Review）发表研究论文“Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics”，提出了一种基于增强型激光诱导相分离的高性能导电水凝胶构建方法。该水凝胶不仅具有超高电导率、优异的生物相容性，还具备微米级图案化能力，为未来柔性神经接口等生物电子技术的进一步发展提供了有力支撑。博士研究生周豪为第一作者。

01.文献信息

文献题目： Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics

DOI: 10.1093/nsr/nwaf136

原文链接： https://doi.org/ 10.1093/nsr/nwaf136

02. 主要内容

01 研究背景

导电水凝胶是结合了优异电子传导性和组织兼容性的理想材料，特别是在柔性生物电子器件中具有重要应用。这类材料特别适合神经接口等领域，能够在维持高导电性的同时，确保与生物组织的稳定结合。在这些应用中，PEDOT:PSS体系由于其良好的电子传导性和相对较低的成本，一直是研究的热门选择。然而，尽管激光诱导相分离技术具备了非接触、高分辨率的加工优势，但由于PEDOT:PSS溶液本身的光热转化效率较低，导致激光诱导过程难以实现高效稳定的导电网络，这一技术瓶颈使得其在高性能植入式生物电子中的应用受到限制。

02 技术路线

为了解决这一瓶颈，研究团队提出一种有效策略，即通过在PEDOT:PSS前驱液和乙二醇之间创建稳定的液-液界面，结合激光诱导相分离技术，成功地制备出了高导电性的PEDOT水凝胶。通过精确控制溶剂扩散，研究人员引导PEDOT链段逐步从混乱的“弯曲状态”转变为整齐有序的“拉直状态”，这种变化显著提升了材料的共轭长度，加强了分子之间的π-π堆叠程度，从而大大增加了水凝胶对可见光的吸收能力。通过这种技术，材料在532 nm连续激光照射下迅速加热，局部实现了高效的相分离过程，形成了一个紧密连接的PEDOT导电网络。实验表明，这种ELIP水凝胶的电导率达到了955 S/cm，并且能够在微米级别实现图案化，分辨率可达到约3 μm。激光处理不仅提升了材料的导电性，同时也增强了水凝胶与基底的附着力和材料的力学稳定性。测试结果表明该水凝胶具有良好的电化学和结构稳定性。更为重要的是，这一技术避开了传统加工中的外源掺杂和酸处理步骤，具备了更高的简便性和可控性，从而为高性能PEDOT导电水凝胶的开发提出了新思路。

图1：通过亚稳态液-液接触联合激光诱导相分离构建植入式生物电极的设计与制造

03 机制研究

为了更深刻地理解PEDOT水凝胶导电性能提升的机制，研究团队结合分子动力学模拟和多种表征手段，详细探讨了亚稳态液-液接触和激光诱导对PEDOT链结构的影响。模拟结果表明，在水溶液中，PEDOT和PSS链段呈现纠缠的状态，难以有效地分离并形成理想的导电网络。然而，在水与乙二醇的混合溶液中，PEDOT链逐步从分散的状态转变为更长、更有序的共轭结构，显著增强了分子之间的π-π堆叠程度，并提高了材料的光吸收效率。激光照射进一步促进了PEDOT链的重组，局部升温引发了深度的相分离，使得水凝胶形成了一个更加紧密的导电网络。通过实验验证，AFM图像表明PEDOT由分散的颗粒转变为一个连贯的网络结构；XPS测试显示PEDOT含量大幅增加；拉曼光谱中，Quinoid（高导电结构）峰的强度明显高于Benzoid（低导电结构）峰，进一步证明了PEDOT分子结构的优化升级。这一过程揭示了ELIP水凝胶导电性增强的内在机制：通过激发分子内在潜力，原本松散的链条形成了结构紧密、路径连通的导电网络。

图2：分子动力学模拟与性能表征

04应用验证

除了电导性能上的突破，ELIP水凝胶在实际应用中也展示了其卓越的能力。研究团队将其制成了柔性图案化袖带电极，并将其缠绕在成年大鼠的坐骨神经上，模拟神经调控的真实应用场景。通过施加千赫兹频率的交变电刺激，实验结果表明，坐骨神经的动作电位传导被有效抑制，动物后肢肌肉活动显著减弱，成功地中断了疼痛相关的神经信号传导。在体实验后，研究团队通过组织学分析确认，植入28天后，神经组织结构保持完好，未见明显的炎症或胶质细胞增生，表明该材料在神经组织中展现出优异的生物适应性。

图3： 神经传导阻断和生物相容性测试

03. 分析展望

综上所述，ELIP水凝胶不仅突破了传统PEDOT导电水凝胶的性能瓶颈，还在工艺上实现了便捷、高效、可控的升级。未来，这种新型水凝胶有望在更广泛的临床应用中发挥重要作用，在神经电子接口领域扮演重要角色，推动生物医学工程向更加柔性和高精度的方向发展。

来源：柔性新材料