全大分子自粘附集成超级电容器在植入式应用中的突破性研究

柔性超级电容器因可拉伸的机械适应性和安全性成为可穿戴/植入设备的首选，但当前仍面临生物相容性不足、缺乏粘附性或界面不稳定等问题。兰州理工大学能源存储研究院刘锐团队通过构建明胶-聚丙烯酰胺双网络水凝胶基质，添加富含儿茶酚的单宁酸制备兼具机械与粘附性能的凝胶电解质膜，并原位聚合导电聚合物PEDOT:PSS形成对称集成器件。该研究为植入式设备提供了高安全性、良好生物相容性且具粘附特性的微型化解决方案，发表于《Biologicals》。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，可穿戴和植入式设备对能源存储系统提出了更高要求。传统刚性储能器件难以满足生物体动态形变需求，而现有柔性超级电容器又常因材料毒性、界面剥离等问题限制其临床应用。如何实现兼具生物安全性、组织粘附性和稳定电化学性能的集成化器件，成为该领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，兰州理工大学能源存储研究院刘锐（Rui Liu）团队创新性地选择生物相容性材料构建全大分子集成系统。研究以明胶（gelatin）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）形成双网络水凝胶基底，利用单宁酸（tannic acid）的儿茶酚基团赋予材料组织粘附性，并通过原位聚合在凝胶表面生成聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）导电层，最终制备出对称结构的自粘附超级电容器。

关键技术包括：1）双网络水凝胶基质构建技术；2）基于儿茶酚化学的界面粘附改性；3）PEDOT:PSS原位气相聚合工艺。研究团队通过系统优化各组分比例，使材料在保持>85%拉伸率的同时，实现与生物组织>15kPa的粘附强度。电化学测试表明，该器件在生理环境中展现12.3 F/cm³的体积比电容，经5000次弯折后电容保持率达91.2%。

【水凝胶基质性能】通过流变学和力学测试证实，双网络结构使水凝胶具有0.35 MPa的抗压强度和600%的断裂伸长率，单宁酸的引入使粘附性能提升3倍。

【电化学特性】循环伏安曲线显示PEDOT:PSS修饰后的电极在0.5 mA/cm²电流密度下，面电容达48.6 mF/cm²，界面电荷转移电阻降低至2.8 Ω。

【生物相容性】CCK-8细胞实验显示材料浸提液培养72小时后细胞存活率>95%，优于传统聚偏氟乙烯（PVDF）基器件。

该研究突破性地将生物粘附化学与导电聚合物技术相结合，首次实现全大分子自粘附超级电容器的集成化构建。器件特有的对称结构消除了传统异质结界面不稳定的风险，而PEDOT:PSS的原位生长策略显著降低界面阻抗。这种"三明治"结构设计使厚度控制在200 μm以内，能量密度达到15.1 μWh/cm²，满足植入式心脏起搏器等微型医疗设备的供电需求。更重要的是，研究为开发新一代生物集成电子设备提供了可扩展的材料平台，其全溶液加工特性更利于大规模生产转化。未来通过调控单宁酸含量和交联密度，有望进一步优化器件在动态生物环境中的长期稳定性。