《Science Adv.》首尔大学：均匀导电水凝胶低阻抗组织设备接口！|Science Adv.|science adv.|导电性|水凝胶|聚合物|阻抗|首尔大学

第一作者：Yoonsoo Shin，Hyun Su Lee，Yongseok Joseph Hong

通讯作者：Sangkyu Lee，Dae-Hyeong Kim

通讯单位：首尔基础科学研究院，首尔大学

DOI: 10.1126/sciadv.adi7724

背景介绍

柔性和可拉伸的生物电子在生物集成方面具有明显优势，为新兴的生物相关领域带来了许多机会，如可穿戴生物电子、仿生机器人和医疗植入物。特别是，可拉伸生物电子学已证明其在下一代护理点医疗诊断和医疗保健方面的潜力。尽管可拉伸生物电子学取得了实质性进展，包括多功能传感器的开发、可拉伸设备的设计和改善的长期用户舒适度，但实际挑战仍然存在。一个关键挑战是装置和目标组织之间的微尺度非正规接触。大多数可拉伸器件已经用具有高模量的材料制造，例如聚合物膜[聚酰亚胺：2.5 GPa和聚对二甲苯C：3.2 GPa]、金属[金：70GPa和铜：119GPa]和氧化物膜[氧化铟锡：89 GPa和二氧化硅：65 GPa]。局部地，这些高模量材料在粗糙的器官表面上表现出非正规接触。非接触区域通常表现出高的接触阻抗，在动态移动环境下可以更加速。因此，这些局部非正规接触和高阻抗界面大大限制了可拉伸生物电子学的性能。

水凝胶具有组织状柔软性[弹性模量：<100 kPa]和富水性，还可以通过加入离子或导电填料而变得导电。因此，它们可以作为可拉伸生物电子学和人类皮肤之间的一种有吸引力的界面介质，以克服微尺度的非正规接触、干界面和高接触阻抗问题。然而，就导电水凝胶的电性能、材料均匀性以及与可拉伸装置的整体集成而言，使用导电水凝胶作为界面介质存在关键困难。

通常，水凝胶含有离子，表现出较差的导电性，从而阻碍有效的电信号传输。为了制备能够实现更好的离子和电信号传输的导电水凝胶，应将大量的导电材料，如金属基材料[液态金属、银基纳米材料或其混合物]或导电聚合物[聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）]掺入水凝胶基质中。其中，金属基水凝胶通常表现出优异的导电性和拉伸性，适合用作生物电子学中的导体。同时，导电聚合物基水凝胶可以作为设备和皮肤之间的界面介质，因为它们比金属基水凝胶具有更高的柔软性和更好的均匀性。然而，在结合高浓度导电填料以实现高导电性和低阻抗的同时实现材料柔软性和均匀性是具有挑战性的。此外，水凝胶膜内部的水产生光滑的界面，并限制水凝胶可靠地整合到可拉伸生物电子的表面上。这种较差的集成可能导致不可靠的设备性能和难以扩展。尽管已经报道了使用坚韧水凝胶和实现界面结合的方法，但大多数研究都集中在水凝胶和组织之间的粘附上，并且器件和导电水凝胶之间的粘附性还没有得到太多探索。

本文亮点

1. 本工作报道了通过加入聚苯胺修饰的聚（3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯）来合成具有异常低的阻抗（~21欧姆）和相当高的电导率（~24 S/cm）的均匀导电聚丙烯酰胺水凝胶。

2. 还通过装置上聚合以及共价键和氢键，在导电水凝胶和可拉伸装置之间建立了牢固的粘附性（界面韧性：~296.7 J/m2）和可靠的结合。

3. 这些策略能够制造可拉伸的多通道传感器阵列，用于在体外和体内环境下进行高质量的皮肤阻抗和pH测量。

图文解析

图1. 无缝低阻抗组织设备接口，使用与可拉伸生物电子学集成的均匀导电水凝胶。

（A）可拉伸生物电子与导电水凝胶集成，用于无缝和低阻抗组织设备接口的分解图。（B）显示导电水凝胶作为界面材料的作用的横截面图。它促进了生物分析细胞和生物信号在组织和生物电子之间的有效传输。（C）导电水凝胶和可拉伸装置之间可靠且单片的粘合。（D）通过表面共价键和本体氢键形成强键合。（E）具有足够导电性的导电水凝胶，可开启可穿戴发光二极管阵列。（F）与图案化导电水凝胶集成的可拉伸传感器阵列。（G）传感器阵列的拉伸变形。（H）导电聚合物基水凝胶（CP水凝胶）、被水溶胀的导电聚合物薄膜（溶胀的CP）和掺入金属填料的水凝胶（金属水凝胶）的导电拉伸性。（I和J）CP水凝胶、溶胀CP和基于碳材料的水凝胶（碳水凝胶）的阻抗-杨氏模量（I）和阻抗拉伸性。对应于各种器官的杨氏模量和拉伸性（如右侧所示）。“（L）”和“（C）”分别表示心肌的纵向和周向拉伸能力。

图2. 具有组织状柔软度、低阻抗和合理高电导率的均匀导电水凝胶。

（A和B）在用PANi（B）处理PEDOT:PSS PAAm水凝胶之后，在具有相对低比例的PEDOT:PPS（A）和PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶的PEDOT/PSS-PAAm凝胶中的传导机制的示意图。插图图像显示了冷冻干燥水凝胶的3D x射线断层图像。（C）用不同浓度的PEDOT:PSS制备的PEDOT/PSS PAAm水凝胶的图像和电学性质。（D） PAAm、PEDOT:PSS-PAAm和PEDOT:PSS PANi-PAAm水凝胶的电导率和阻抗。（E） PEDOT:PSS-PAAm和PEDOT:PSS PANi-PAAm水凝胶的pH依赖性电导率和阻抗变化。（F） PAAm、PEDOT:PSS-PAAm和PEDOT:PSS PANi-PAAm水凝胶的应力-应变曲线。E代表根据曲线计算的模量。

图3. 导电水凝胶和电极/可拉伸井之间的强粘附性。

（A）描述水凝胶在电子设备上的化学集成的示意图。（B）导电水凝胶在未处理和化学处理的金属电极和PU孔上的粘附性能。（C）在未处理和化学处理的电极表面上形成的导电水凝胶的超声处理。（D）示意图显示了通过能量耗散增强附着力的概念。（E） PEDOT:PSS PANi-PAAm水凝胶进行剥离试验的图像。（F和G）在PEDOT:PSS PANi-PAAm水凝胶的TA处理之前和之后改进的粘附性（F）和负载-卸载测试结果（G）。（H）根据加载-卸载试验结果计算的能量损失系数。

图4. 可拉伸生物电子和导电水凝胶集成的制备过程。

（A）可拉伸生物电子学的照片（左）和示意图（右）（在整合导电水凝胶之前）。（B）可拉伸装置的拾取和转移过程。（C）弹性PU井的照片（左）和示意图（右）。（D） PU阱的制备及其在PVA涂膜上的转移印刷。（E）集成设备的照片（左）和示意图（右）。（F）使用PUA胶水的集成过程。（G）具有导电水凝胶的可拉伸生物电子学的照片（左）和示意图（右）。（H）在PU井中原位形成导电水凝胶。

图5. 可拉伸多通道传感器阵列的制作以及体内阻抗和pH映射演示。

（A）可拉伸多通道传感器阵列的制造步骤。（B）人工组织上可伸缩的多通道传感器阵列，具有各种离子浓度。（C）人工组织中离子浓度的空间变化。（D）人工组织上的阻抗图。（E）在不同pH值的人造组织上可拉伸的多通道传感器阵列。（F）人工组织中pH值的空间变化。（G）人工组织上的pH标测。（H）拉伸前（左）和拉伸后（右）人工组织上的可拉伸多通道传感器阵列的图像。（I）拉伸变形过程中每个位置的阻抗映射。