《NSR》浙江大學徐凱臣：激光誘導PEDOT水凝膠電極！

隨著生物醫學技術的不斷進步，植入式生物電子器件逐漸成為醫療領域的一個重要研究方向。導電水凝膠，因其突出的柔軟性與導電性能，已在神經調控、疼痛管理等多個生物醫學應用中展現出了廣泛的應用前景。近日，浙江大學徐凱臣研究員課題組在《國家科學評論》（National Science Review）發表研究論文“Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics”，提出了一種基于增強型激光誘導相分離的高性能導電水凝膠構建方法。該水凝膠不僅具有超高電導率、優異的生物相容性，還具備微米級圖案化能力，為未來柔性神經接口等生物電子技術的進一步發展提供了有力支撐。博士研究生周豪為第一作者。

01.文獻信息

文獻題目： Enhanced laser-induced PEDOT-based hydrogels for highly conductive bioelectronics

DOI: 10.1093/nsr/nwaf136

原文鏈接： https://doi.org/ 10.1093/nsr/nwaf136

02. 主要內容

01 研究背景

導電水凝膠是結合了優異電子傳導性和組織兼容性的理想材料，特別是在柔性生物電子器件中具有重要應用。這類材料特別適合神經接口等領域，能夠在維持高導電性的同時，確保與生物組織的穩定結合。在這些應用中，PEDOT:PSS體系由于其良好的電子傳導性和相對較低的成本，一直是研究的熱門選擇。然而，盡管激光誘導相分離技術具備了非接觸、高分辨率的加工優勢，但由于PEDOT:PSS溶液本身的光熱轉化效率較低，導致激光誘導過程難以實現高效穩定的導電網絡，這一技術瓶頸使得其在高性能植入式生物電子中的應用受到限制。

02 技術路線

為了解決這一瓶頸，研究團隊提出一種有效策略，即通過在PEDOT:PSS前驅液和乙二醇之間創建穩定的液-液界面，結合激光誘導相分離技術，成功地制備出了高導電性的PEDOT水凝膠。通過精確控制溶劑擴散，研究人員引導PEDOT鏈段逐步從混亂的“彎曲狀態”轉變為整齊有序的“拉直狀態”，這種變化顯著提升了材料的共軛長度，加強了分子之間的π-π堆疊程度，從而大大增加了水凝膠對可見光的吸收能力。通過這種技術，材料在532 nm連續激光照射下迅速加熱，局部實現了高效的相分離過程，形成了一個緊密連接的PEDOT導電網絡。實驗表明，這種ELIP水凝膠的電導率達到了955 S/cm，并且能夠在微米級別實現圖案化，分辨率可達到約3 μm。激光處理不僅提升了材料的導電性，同時也增強了水凝膠與基底的附著力和材料的力學穩定性。測試結果表明該水凝膠具有良好的電化學和結構穩定性。更為重要的是，這一技術避開了傳統加工中的外源摻雜和酸處理步驟，具備了更高的簡便性和可控性，從而為高性能PEDOT導電水凝膠的開發提出了新思路。

圖1：通過亞穩態液-液接觸聯合激光誘導相分離構建植入式生物電極的設計與制造

03 機制研究

為了更深刻地理解PEDOT水凝膠導電性能提升的機制，研究團隊結合分子動力學模擬和多種表征手段，詳細探討了亞穩態液-液接觸和激光誘導對PEDOT鏈結構的影響。模擬結果表明，在水溶液中，PEDOT和PSS鏈段呈現糾纏的狀態，難以有效地分離并形成理想的導電網絡。然而，在水與乙二醇的混合溶液中，PEDOT鏈逐步從分散的狀態轉變為更長、更有序的共軛結構，顯著增強了分子之間的π-π堆疊程度，并提高了材料的光吸收效率。激光照射進一步促進了PEDOT鏈的重組，局部升溫引發了深度的相分離，使得水凝膠形成了一個更加緊密的導電網絡。通過實驗驗證，AFM圖像表明PEDOT由分散的顆粒轉變為一個連貫的網絡結構；XPS測試顯示PEDOT含量大幅增加；拉曼光譜中，Quinoid（高導電結構）峰的強度明顯高于Benzoid（低導電結構）峰，進一步證明了PEDOT分子結構的優化升級。這一過程揭示了ELIP水凝膠導電性增強的內在機制：通過激發分子內在潛力，原本松散的鏈條形成了結構緊密、路徑連通的導電網絡。

圖2：分子動力學模擬與性能表征

04應用驗證

除了電導性能上的突破，ELIP水凝膠在實際應用中也展示了其卓越的能力。研究團隊將其制成了柔性圖案化袖帶電極，并將其纏繞在成年大鼠的坐骨神經上，模擬神經調控的真實應用場景。通過施加千赫茲頻率的交變電刺激，實驗結果表明，坐骨神經的動作電位傳導被有效抑制，動物后肢肌肉活動顯著減弱，成功地中斷了疼痛相關的神經信號傳導。在體實驗后，研究團隊通過組織學分析確認，植入28天后，神經組織結構保持完好，未見明顯的炎癥或膠質細胞增生，表明該材料在神經組織中展現出優異的生物適應性。

圖3： 神經傳導阻斷和生物相容性測試

03. 分析展望

綜上所述，ELIP水凝膠不僅突破了傳統PEDOT導電水凝膠的性能瓶頸，還在工藝上實現了便捷、高效、可控的升級。未來，這種新型水凝膠有望在更廣泛的臨床應用中發揮重要作用，在神經電子接口領域扮演重要角色，推動生物醫學工程向更加柔性和高精度的方向發展。

來源：柔性新材料