PEDOT:PSS导电共晶凝胶，用于提升可植入神经接口中的电记录和电刺激性能

《Journal of Materials Chemistry C》：PEDOT:PSS conducting eutectogel for enhanced electrical recording and stimulation in implantable neural interfaces

导电聚合物PEDOT:PSS与深熔盐（DES）形成的导电共晶凝胶（eutectogel）在植入式神经接口中的应用研究。通过引入胆碱盐和乳酸的DES，优化了导电聚合物薄膜的厚度（达800纳米）和机械性能，显著提升电化学阻抗（降低至8.3 kΩ）和电荷注入容量（提高3倍），并在rat sciatic nerve模型中验证了其神经记录和刺激性能。研究结果表明，DES改性的PEDOT:PSS在植入式生物电子器件中具有更好的适用性。

　　导电聚合物因其混合离子-电子导电性和良好的生物相容性，在生物电子接口领域得到了广泛应用。然而，这类材料在植入式设备中面临机械脆弱性和加工局限性等问题，限制了其在长期应用中的性能表现。为了解决这些问题，研究人员探索了将深共晶溶剂（DES）引入导电聚合物中的可能性。DES是一类新型的离子添加剂，通过氢键相互作用形成低熔点的共晶混合物，具有良好的加工性能、生物相容性以及对多种化合物的溶解能力。当与聚(3,4-乙基二氧噻吩)掺杂聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）结合时，DES能够作为凝胶化剂，形成具有剪切变稀特性的导电共晶凝胶（eutectogel），从而实现三维打印和更厚、更柔软的电极结构。这种材料的引入不仅提高了电化学性能，还增强了机械稳定性，使其更适合与柔软、弯曲和动态的神经组织进行长期稳定的接触。

在本研究中，科学家们开发了一种基于PEDOT:PSS的共晶凝胶，其中加入了胆碱氯化物（ChCl）和乳酸（LAC）作为DES组分，并引入了（3-缩水甘油氧丙基）三甲氧基硅烷（GOPS）作为交联剂。这种配方在保持电导率的同时，显著提高了电极的厚度，从而提升了电容和电化学性能。研究团队通过标准的光刻和反应离子刻蚀（RIE）技术，将这种新型材料集成到柔性薄膜电极阵列中，用于与坐骨神经进行交互。这些电极阵列具有螺旋结构，能够紧密贴合小直径神经，从而减少组织反应并提高信号采集的准确性。

实验结果显示，PEDOT:PSS/DES电极在体外测试中表现出比传统PEDOT:PSS电极更优的电化学性能。其阻抗降低了约三倍，电容提高了，同时具备更高的电荷注入能力（CIC）。这种改进使得电极能够更有效地进行神经记录和刺激，特别是在低电流条件下更可靠地引发运动反应。尽管在某些情况下，PEDOT:PSS的肌电信号幅度与PEDOT:PSS/DES相似，但整体而言，PEDOT:PSS/DES在多个关键指标上均显示出显著优势。此外，研究还发现，电极的厚度与电容和电荷注入能力之间存在强相关性，表明通过增加厚度可以进一步优化电极性能。

为了验证这些改进在体内环境下的效果，研究团队在大鼠身上进行了急性电生理实验。实验过程中，他们将两种电极（PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/DES）并排植入坐骨神经，并在相同刺激条件下比较其信号采集和激活效果。结果表明，PEDOT:PSS/DES电极在更低的电流水平下就能有效引发肌肉收缩，同时其肌电信号的信噪比（SNR）和均方根（RMS）值也表现出更优的性能。这说明PEDOT:PSS/DES在实际应用中具备更高的灵敏度和可靠性，尤其是在需要低电流刺激的场景下。

研究还指出，尽管PEDOT:PSS/DES在电化学性能方面表现突出，但电极与组织之间的局部相互作用仍然对整体性能至关重要。例如，电极的位置、与神经纤维的接近程度以及电极的形状都会影响信号采集的效率和刺激效果。因此，未来的优化方向不仅应关注材料本身的性能提升，还应考虑如何改善电极与组织的匹配度，以实现更高效的神经接口。

此外，研究团队通过多种方法对电极的厚度和电导率进行了评估。使用Dektak XT轮廓仪测量了薄膜的厚度，发现PEDOT:PSS/DES电极在边缘区域的厚度可达550纳米，而传统PEDOT:PSS电极的厚度仅为171纳米。这表明DES的引入显著提高了薄膜的沉积性能，从而实现了更厚的电极结构。同时，通过范德帕乌方法（Van der Pauw method）对电极的电导率进行了测量，结果显示虽然PEDOT:PSS/DES的电导率低于传统PEDOT:PSS，但其更高的厚度足以弥补这一差距，从而在整体性能上表现出色。

在电极的设计和制造方面，研究团队采用了一种标准化的微加工流程，以确保材料在不同尺寸和形状下的一致性。通过调整光刻参数和反应离子刻蚀条件，他们成功地制备了适用于不同应用场景的电极结构。这种柔性电极阵列不仅能够适应神经的弯曲形态，还能在长期植入过程中保持良好的机械稳定性和电化学性能。

研究的结论表明，将DES引入PEDOT:PSS材料中，为开发高性能、可长期使用的生物电子接口提供了一种新的策略。这种材料的引入显著提高了电极的厚度和电化学性能，使其在神经记录和刺激方面表现出色。同时，其良好的生物相容性和加工适应性也使其在植入式设备中具有广泛的应用前景。未来的研究将进一步探索这种材料在长期电生理实验中的表现，并尝试使用其他类型的DES来拓展其功能范围。

该研究不仅为神经接口材料的设计提供了新的思路，还为生物电子技术的发展提供了重要的实验依据。通过优化材料配方和加工工艺，科学家们成功地克服了传统PEDOT:PSS在机械强度和厚度方面的限制，使其能够在实际应用中表现出更高的性能。此外，研究还强调了局部电极-组织相互作用的重要性，这为未来的神经接口设计提供了新的方向。整体而言，这项工作展示了DES在提升导电聚合物性能方面的潜力，为开发更先进的植入式生物电子设备奠定了基础。