西南交大鲁雄Chemistry of Materials封面文章：基于导电高分子纳米纤维的透明导电水凝胶

【引言】

导电水凝胶因其高含水量及与人体软组织相似的结构，被认为在生物医学工程领域具有良好的应用前景，比如人体可穿戴传感器、软体机器人中。这对导电水凝胶又提出了新的要求—需要在导电的前提下，具有良好的透光性。但现有的已复合导电纳米颗粒的导电水凝胶，无法在保持高的导电率和拉伸性的同时拥有光学透明度，导致其应用受限。而另一类离子导电凝胶，可能会在机体环境下导致离子渗出而不稳定。另外，现有的导电水凝胶导电水凝胶缺少合适的生物相容性与粘附性，限制了其在生物医学工程领域的应用。

针对以上问题，西南交通大学鲁雄教授课题组提出在在水凝胶网络中原位形成导电高分子纳米纤维的设计理念，采用亲水性的聚多巴胺杂化导电聚吡咯，形成亲水性导电纳米复合物，再将高导电复合物与丙烯酰胺共聚，从而在水凝胶网络中原位形成纳米纤维，成功研制出兼具透明、导电、耐拉伸、自粘附性能的新型水凝胶材料。研究成果以“Transparent, Adhesive, and Conductive Hydrogel for Soft Bioelectronics Based on Light-Transmitting Polydopamine-Doped Polypyrrole Nanofibrils”为题，作为封面文章发表于2018年8月28日出版的 Chemistry of Materials 上。韩璐博士和闫力维博士生为文章共同第一作者。鲁雄教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1透明，导电，可拉伸，自粘附水凝胶形成机理。

(a)亲水聚多巴胺杂化聚吡咯（PDA−PPy）纳米颗粒的制备。

(b) AM 单体、交联剂、引发剂添加到 PDA−PPy纳米颗粒预聚液中发生自由基聚合形成不透明水凝胶。放置3天后，水凝胶由不透明变透明。

(c)在水凝胶网络中原位形成PDA−PPy导电纳米纤维的原理。

(d) SEM图像显示在不透明水凝胶中，PDA−PPy在水凝胶中呈纳米颗粒状。

(e) SEM图像显示在透明水凝胶中的纳米纤维结构。

(f) 透明水凝胶粘附在植物叶子上的照片

图2 分子动力学计算PDA-PPy复合物的亲水性。

(a, b) PPy与水相互作用前后状态

(c, d) PDA−PPy 与水相互作用前后的状态

(e, f) PPy与PDA-PPy系统中聚合物-水界面的原子分布

图3 PDA−PPy−PAM水凝胶的透明性与紫外光屏蔽性。

(a) 水凝胶在纳米纤维形成过程中的颜色变化。

(b) 水凝胶1天-3天变化后的紫外-可见光透射光谱。

(c) 含不同浓度PDA-PPy复合物的水凝胶照片。

(d) 含不同浓度PDA-PPy复合物的水凝胶的紫外-可见光透射光谱。

(e) 含不同浓度PDA-PPy复合物的水凝胶的紫外-可见光吸收光谱。

(f)水凝胶 粘附在老鼠背部动物实验图。

(g) H&E 染色证明PDA-PPy-PAM水凝胶具有紫外光屏蔽性能。

图4 PDA−PPy−PAM水凝胶的导电性和自粘附性。

(a) 导电水凝胶能够抵抗变形。

(b) 水凝胶能够在反复拉伸过程中保持稳定的导电性。

(c) 原位形成的PDA-PPy纳米纤维能够提高水凝胶的导电性。

(d) PDA−PPy−PAM 与 PPy−PAM 水凝胶导电性对比。

(e) 不同含量的PDA-PPy-PAM水凝胶粘附强度比较。

(f) 水凝胶放置3天后，粘附强度未减弱。

图5  PDA−PPy−PAM水凝胶力学性能。

 (a) 水凝胶可拉伸性、可压缩性、回复性能展示。

 (b) 水凝胶拉伸应力-应变曲线。

 (c−e) 水凝胶拉伸比、拉伸强度、断裂能。

 (f) 水凝胶循环拉伸加载-卸载曲线。

 (g) PDA−PPy 复合物在水凝胶中的结构变化引起的断裂能增加。

图6导电、透明、自粘附、生物相容性良好的水凝胶用于可穿戴器械展示。

 (a) 水凝胶作为应变传感器，粘附在本文作者手腕、膝关节上监测人体运动。

 (b) 水凝胶作为自粘附电极用于监测人体肌电、心电信号。水凝胶良好的透明性可以清晰看到血管，利于操作。

 (c-d) 骨髓间充质干细胞与水凝胶共培养实验证明水凝胶的生物相容性与细胞亲和性。

【小结】

本研究提出了一种在水凝胶中原位生成导电纳米纤维的设计思路，制备了具有高导电率、透明性、自粘附性与拉伸性能良好的导电高分子基水凝胶。该水凝胶中原位形成的聚多巴胺杂化聚吡咯导电纳米纤维，具有良好的亲水性，能够与亲水的聚合物网络良好的结合，交织形成网络结构，从而在水凝胶中形成完整的导电通路，赋予水凝胶优良的导电性能(12 S/m)。该纳米纤维网络，允许可见光穿透，使得该水凝胶具有良好透明性能(70%)。另外，这种网络结构能够在水凝胶形变中均匀分散应力，有效地弛豫外力和耗散能量，因此，水凝胶具有超高的拉伸形变能力(2000%)以及断裂能(3000 J/m²)。此外，由于聚多巴胺-聚吡咯良好的紫外光吸收能力，使得导电水凝胶在保证透明的前提下，表现出良好的防紫外光的能力。体外动物实验表明，在紫外光(30 mW/cm² , 365 nm)照射20 min后，老鼠的背部皮肤组织依然能保持无损。更重要的是，由于巧妙地引入了聚多巴胺的酚羟基功能团，导电水凝胶表现良好的组织粘附性。这种同时具有透明导电、自粘附性能的水凝胶能够方便的，快捷的粘贴在人体皮肤表面，作为导电电极测量人体生理信号、记录肢体运动信号，同时让医务人员方便的透过水凝胶观测皮肤表面。该研究提出了全新的设计导电高分子基水凝胶，为研发新型导电水凝胶开拓了新的方向，促进了水凝胶临床实际应用。

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