基于 d - 山梨醇制备的 PEDOT:PSS 导电水凝胶用于电子植入物的创新突破

《SCIENCE ADVANCES》：Soft, stretchable conductive hydrogels for high-performance electronic implants

为解决电子植入物电极问题，研究人员制备 d - 山梨醇诱导的 PEDOT:PSS 导电水凝胶（CH），其性能优异，可用于体内刺激和记录。

　　

一、研究背景

在现代医学中，电子植入物就像医生放入人体内部的 “小助手”，能帮助诊断和治疗癫痫、帕金森病等各种疾病，还能搭建脑机接口，为那些失去运动和感觉功能的患者带来新希望。其中，植入式设备里的电极至关重要，它负责高质量的电生理记录和有效的电刺激，同时不能对人体的生物系统产生不良影响。

然而，现有的植入式电极主要依赖像铂（Pt）和硅这类高杨氏模量的导电材料。这就好比在柔软的生物组织中放入了坚硬的石头，机械性能上的巨大差异会引发强烈的免疫反应和慢性组织炎症。结果，导电表面长出的瘢痕组织会降低电信号记录的质量，比如让信号的信噪比变差，还会削弱刺激的效果。所以，研发出既具有与生物组织匹配的机械性能（杨氏模量在 1 kPa 到 1 MPa 之间）、高拉伸性，又具备高导电性和电荷注入能力的生物相容性导电材料，成为高性能电子植入设备领域亟待攻克的难题。

为了突破这一困境，导电水凝胶（CH）应运而生。它有着类似生物组织的机械性能，还能实现电子和离子的双重导电，在电子植入领域备受关注。众多本征导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺、聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）等，都被应用于水凝胶基生物电子学中。在这些聚合物里，聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）凭借其可调节的电学性能、良好的溶液加工性、生物相容性和光学透明性脱颖而出。不过，以往为了提高 PEDOT:PSS 的导电性添加的各种添加剂，像二甲基亚砜（DMSO）、乙二醇、离子液体和硫酸等，虽然能提升导电性，却会对生物体造成各种不良影响，使用后还得彻底清除。还有激光诱导的 PEDOT:PSS 水凝胶，虽然能实现高导电性且无需添加剂，但它的杨氏模量高于 50 MPa，断裂应变约为 15%，机械性能与生物组织不匹配。因此，开发更理想的 PEDOT:PSS 水凝胶用于电子植入物迫在眉睫。

二、研究概况

来自国外的研究人员决心攻克这一难题，他们开展了关于利用 d - 山梨醇制备 PEDOT:PSS 导电水凝胶并用于电子植入物的研究。最终，他们成功制备出性能优异的导电水凝胶，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为电子植入物领域带来了新的曙光。

三、研究方法

研究人员采用了多种关键技术方法。在水凝胶制备方面，将 d - 山梨醇与 PEDOT:PSS 水溶液混合，经过涡旋、超声、振荡等处理后，通过滴铸在 PDMS 基板上，先在 60°C 干燥 2 小时，再于 130°C 退火，最后在去离子水或磷酸盐缓冲盐水（PBS）中溶胀得到水凝胶。对于电极的图案化，运用了微成型技术，通过软光刻或激光切割热塑性薄膜（Parafilm）制作微模具，实现水凝胶在弹性基板上的图案化。在材料表征上，利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术，对水凝胶的形貌、结构和性能进行分析。在电化学性能测试中，使用三电极系统和 Gamry Reference 600 + 电位仪，进行循环伏安法（CV）、电压瞬变和电化学阻抗谱（EIS）测量。为了评估生物相容性，开展了体外细胞培养和体内植入实验，通过细胞活力检测、组织染色和免疫荧光分析等方法进行研究。

四、研究结果

1. CH 设计和图案化：d - 山梨醇作为二次掺杂剂和增塑剂，在高温退火过程中促使 PEDOT 重结晶以及 PEDOT 和 PSS 链重新排列，诱导刚性 PEDOT 富集域和柔软 PSS 富集基质之间的相分离，形成相互连接的高导电纳米纤维。研究人员利用微成型技术，通过两种方法制备微模具，成功在弹性基板上实现了 CH 的图案化，制备出多种形状和尺寸的电极，如直径 1 mm、线宽 50 μm 的蛇形丝状电极和线宽 500 μm 的线条电极。
2. 退火膜的形貌和溶胀：AFM 和 SEM 分析显示，随着 d - 山梨醇浓度增加，PEDOT:PSS 膜的纳米纤维密度先增加后趋于稳定，3%（w/v）d - 山梨醇时形成相互连接的纳米纤维结构。该膜具有各向异性结构，在水和 PBS 中呈现各向异性溶胀，溶胀迅速且可逆，溶胀比受 d - 山梨醇浓度和离子强度影响，3%（w/v）d - 山梨醇制备的水凝胶含水量达 84%，在 PBS 和水中放置 3 个月以上仍保持机械稳定。
3. CH 的机械和电学性能：拉伸和压缩测试表明，CH 的拉伸模量和压缩模量随 d - 山梨醇浓度增加而增加，在水中的模量低于在 PBS 中的模量，其模量与软生物组织相当，远低于传统导电材料。电学测试显示，CH 的电导率随 d - 山梨醇浓度增加而提高，在水中的电导率高于在 PBS 中的电导率，3%（w/v）d - 山梨醇制备的水凝胶电导率达 74 S/cm，高于此前报道的用 DMSO 和离子液体制备的 PEDOT:PSS 水凝胶，且在 30% 应变下经过 500 次拉伸和释放循环后电导率保持稳定。
4. CH 电极的电化学性能：与 Pt 电极相比，CH 电极具有更高的电荷存储容量（CSC）和电荷注入容量（CIC）。在 100 mV/s 扫描速率下，CH 电极的 CSC 为 103.7 mC/cm2，是 Pt 电极的 69 倍；在 100 ms 脉冲持续时间下，CH 电极的 CIC 为 46.9 mC/cm2，是 Pt 电极的 84 倍。CH 电极的阻抗在 1 Hz 到 100 kHz 频率范围内比 Pt 电极低三个数量级，在 1 kHz 时阻抗为 79.3 ohms，是 Pt 电极的 1/74，且经过高压灭菌和浸泡 1 个月后，其电化学性能稳定。
5. CH 的生物相容性：体外细胞培养实验表明，d - 山梨醇对人真皮成纤维细胞（hDFs）的活力和形态影响可忽略不计，而其他添加剂则显著降低细胞活力。体内植入实验显示，与 Pt 电极相比，CH 电极周围的坐骨神经炎症反应轻微，神经丝（NF）水平变化不明显，对大鼠的步态行为影响较小，证明 CH 电极具有良好的生物相容性。
6. 体内神经刺激和复合肌肉动作电位记录：在体内神经刺激实验中，CH 电极在低电压（0.1 V）刺激下就能产生较高的踝关节背屈角度（51°），而 Pt 电极在相同刺激强度下无反应，在更高电压下 CH 电极的刺激效果也优于 Pt 电极。同时，CH 电极能够同时记录神经刺激诱发的复合肌肉动作电位（CMAP），其信号质量优于 Pt 电极，信噪比更高，噪声更低。

五、研究结论与意义

研究人员成功制备了由 d - 山梨醇诱导的 PEDOT:PSS 导电水凝胶，这种水凝胶在电子植入物领域展现出巨大的潜力。它解决了传统添加剂带来的细胞毒性问题，具备与生物组织匹配的机械性能，能有效降低免疫反应和慢性炎症。其高导电性、电荷存储和注入能力，使得在神经刺激和记录方面表现出色，为开发软电子设备用于神经调节和记录提供了新的技术手段。未来，有望进一步将记录功能集成到闭环神经调节中，为创伤或神经损伤患者的功能恢复或替代带来更多希望。这项研究为电子植入物领域开辟了新的方向，推动了生物医学工程的发展，具有重要的理论意义和临床应用价值。