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MIT赵选贺团队SA: 坚韧导电聚合物生物电子界面

发布时间:2020-03-23 浏览:497

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导电聚合物兼具独特的电学、力学性能及生物兼容性.作为界面材料有望实现长期稳定高效的人机交互及融合。然而,当前导电聚合物与各类基底材料在人体环境中的粘附性能普遍较差,严重影响了生物电子器件的功能及寿命。近日,麻省理工学院赵选贺团队提出了一种实现导电聚合物涂层与多种基底强力粘附的通用策略,该方法通过引入纳米级亲水性聚合物粘接层与导电聚合物形成分子互穿网络,实现了粘结剂粘附性能与导电聚合物电学、力学性能的有效结合。这一策略操作简单,成本低廉,与导电聚合物现有加工技术兼容性良好,并可与商业化生物电极集成用于开发坚韧导电聚合物生物电子界面。

人体与各种生物电子设备的交互和融合是现今科学技术发展的最前沿问题之一。长期稳定高效的人机界面有可能带来对人体和生命前所未有的理解;同时影响着我们每个人的健康、学习、工作、生活、社会安全;以及推动AI (通过理解人脑)、机器人 、大数据等各个领域的发展。导电聚合物及其水凝胶涂层兼具独特的电学、力学性能及生物兼容性,作为界面材料有望实现长期稳定高效的人机交互及完美融合(参见前期工作Chemical Society Reviews 2019, 48, 1642; Nature Communications 2019, 10, 1043)。然而,当前导电聚合物与各类基底材料在人体环境中的粘接性能普遍较差且不稳定、容易脱落,严重影响了生物电子器件的功能及寿命。例如Neuralink公司总裁Elon Musk在其研究报告中明确指出:导电聚合物阻抗小,作为电极界面材料性能优异,但其长期稳定性尚需提高。因此,坚韧且长期稳定的导电聚合物生物电子界面研发是当前人机交互融合的重大难题之一。

麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队最新发表在Science Advances上的研究论文(Strong Adhesion of Wet Conducting Polymers on Diverse Substrates, Science Advances 2020, 6, eaay5394 )报道了一种能够实现导电聚合物涂层与多种基底长期坚韧粘附的方法。该方法先对各类基底进行氨基功能化预处理,再通过旋涂、喷涂和浸涂等方法将亲水性聚氨酯(PU)涂附到基底上,形成纳米粘接层;纳米粘附层溶胀后可直接涂布导电聚合物水溶液(例如PEDOT:PSS等)或电化学聚合其单体溶液(如EDOT、吡咯、苯胺单体溶液等),在水性体系中形成聚合物分子互穿网络,以期实现粘接层粘附性能与导电聚合物电学、力学性能的完美结合。

这种设计策略简单有效,能够实现水性体系中导电聚合物在多种基底材料上的强力粘附。粘附性能测试结果表明含PU粘接层的PEDOT:PSS水凝胶在玻璃基板上表现出高剪切强度(> 120 kPa),而未经处理的对照样品剪切强度非常低(0.08 kPa),很容易从基板上脱落。此外,PEDOT:PSS、聚吡咯(PPy)和聚苯胺(PAni)等不同导电聚合物材料,涂布在含PU粘接层的氨基功能化玻璃基板后,其剪切强度均显著高于对照样品。值得注意的是,剪切试验中导电聚合物材料均发生了内部力学破坏,这说明粘结界面强度要高于导电聚合物自身强度。此外,该方法还具有优异的基底普适性,能够实现硬/软、绝缘/导电等多种基底的强力粘附,如玻璃(抗剪强度160 kPa)、聚酰亚胺(抗剪强度116 kPa)、PDMS(抗剪强度111 kPa)、ITO玻璃(抗剪强度149 kPa)和金(抗剪强度146 kPa)等。

水性体系中导电聚合物在各种基材上的强力粘附

导电聚合物涂层强力粘附的长期稳定性是各种生物电子器件功能及寿命的重要保障条件。通过长时间超声测试发现,滴涂PEDOT:PSS薄膜在含PU粘接层基底上连续超声10 min力学及电学性能无明显变化,而在无PU粘接层ITO玻璃电极上PEDOT:PSS薄膜在PBS中超声不足1 min即完全脱落。长期循环伏安扫描显示,所制备的PEDOT:PSS强力粘附涂层具有可逆的氧化还原活性,扫描10000圈后无界面脱粘现象,电荷存储能力降低小于6%,长期稳定性优异。同时,团队发现这种强力粘附界面的设计策略同样适用于电化学聚合法沉积导电聚合物涂层,且电沉积导电聚合物涂层在超声或者长时间循环伏安扫面下力学、电学、电化学等性能的长期稳定性优异。

团队成员进一步以商业化生物电极为例验证了这种导电聚合物强力粘附界面设计的实用性及与现有产品的兼容性。电沉积 PEDOT:PSS能够有效提高各种生物电极产品的电学性能,然而电沉积导电聚合物涂层在生理环境中的稳定性差、易脱落等问题,极大地限制了其实际应用。研究团队分别在商业化的高密度平面金电极和铂神经电极表面成功利用电化学聚合制备了PEDOT:PSS坚韧粘附涂层,有效增强了商业化电极的电学性能,同时电极稳定性优异,超声1小时不发生明显力学降解。

本工作所报道的导电聚合物强力粘附生物电子界面的制备方法简单、普适性强,且材料选择范围广,如其他亲水性聚合物(PVA等)也可用作粘接层,同时加工工艺与导电聚合物现有加工技术兼容性良好,可与商业化生物电极集成用于各类高性能生物电子器件或设备。

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