《AM》: 坚固、生物相容和抗疲劳的导电水凝胶涂层
2023-06-30 16:32:12
作者：材料PLUS 来源：材料PLUS
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先进的可植入生物电子学在生物界面提供长期有效的功能方面具有革命性的潜力，使诊断和治疗各种疾病和疾病的能力成为可能。这种生物电子技术需要无缝集成到人类皮肤、组织甚至重要器官的表面，其中界面提供柔软的机械耦合并促进有效的电/光/热/化学交换。尽管生物电子学最近取得了进展，但仍然很难实现长期机械坚固和顺应的传统金属电极的植入。此外，长期植入金属生物电极通常会触发炎症反应，例如在植入物周围积聚具有代谢活性的炎症细胞或神经胶质细胞，并将植入物包裹在无血管的胶原组织中，从而大大削弱界面的电/光/热/化学交换效率。因此，这一限制对植入物的快速创新和长期可靠性构成了实质性的障碍。由聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚(3，4-乙二氧基噻吩基)-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)等导电聚合物制成的水凝胶，由于其固有的柔软、湿润、优异的机械柔韧性和电化学稳定性，已成为一种很有前途的电极涂层材料。尤其是，基于PEDOT：PSS的导电聚合物水凝胶由于其独特的双重导电性(电性和离子导电性)和良好的生物相容性而引起了极大的关注。然而，PEDOT：PSS基电极或器件与生物组织的长期接触带来了挑战和挑战。例如极低的延伸性(断裂应变为∼2%)和极低的韧性(∼500 kJ m−3)，这是因为富PEDOT域的固有脆性。这种方法的目标是(i)提供与生物组织/器官类似的界面物理化学和电化学性质，(ii)实现高效和双向的生物界面，以及(iii)在不影响生物植入物功能的情况下缓解异物反应。然而，一个关键的限制来自于在长期的电界面连接过程中由电荷注入/喷射引起的重复体积膨胀/收缩，这进一步增加了导电聚合物/水凝胶涂层对疲劳裂纹扩展和/或分层的敏感性。尽管已经开发了一些策略来在PEDOT：PSS导电聚合物水凝胶和金属电极之间构建坚固的界面，通常依赖于功能性EDOT单体的化学锚定或PSS聚合物链形成双重网络，实现长期的稳健性仍然具有挑战性。因此，人们对开发一种关键的使能技术来设计导电水凝胶涂层引起了广泛的兴趣，这些涂层具有优异的电学性能和长期的电化学和机械稳定性，用于生物电子学、电子皮肤、个性化医学和脑机接口。近日，南方科技大学刘吉团队提出了一种普遍而可靠的方法来实现导电聚合物水凝胶涂层在传统金属生物电极上的抗疲劳附着力，方法是在水凝胶涂层和金属衬底之间的界面上设计纳米晶结构域。由此得到的导电聚合物水凝胶涂层具有优异的机械稳定性，允许在长期电气接口期间进行多循环电荷注入/喷射。此外，在生物电极表面引入导电聚合物水凝胶涂层有效地改善了生物相容性，缓解了宿主的反应，并在金属电极和生物组织之间提供了一个机械顺应性的生物界面。还成功地展示了抗疲劳导电水凝胶涂层在传统金属电极上用于心脏起搏的潜在应用。这种应用不仅有效地降低了起搏阈值电压，而且还提高了耐疲劳导电水凝胶涂层的电刺激效果。通过克服传统植入生物电极的这些关键缺点，这种方法为下一代生物接口技术奠定了基础。该研究工作以题为“Mechanically-compliant Bioelectronic Interfaces through Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogel Coating”的论文发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。图1|具有耐疲劳水凝胶涂层的机械顺应性生物电子接口的设计该研究采用聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为模型材料体系，因其能够轻松形成结晶度可调的纳米结构，如纳米晶区或纳米纤维。首先，通过将聚合物溶液浸渍到固体基材上（如玻璃），形成低结晶度的PEDOT:PSS/PVA水凝胶。随后，将PEDOT:PSS/PVA涂层风干，显著提高其结晶度并增强PVA聚合物链与固体基材的亲和力。在去离子水中浸泡后，PEDOT:PSS/PVA聚合物涂层可在约10分钟内转变为水凝胶涂层。随后的热处理过程进一步诱导有序纳米晶区与固体衬底之间的氢键形成，从而形成强大的粘附界面。作为对照，使用传统的旋涂法在固体基材上制备了PEDOT:PSS导电水凝胶涂层，并进行额外的热处理以提高界面粘附性并增加PEDOT:PSS结构域的结晶度。为了评估PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层在各种基材上的粘合性能，研究人员进行了90°剥离测试以测量界面韧性。自旋涂覆的PEDOT:PSS薄膜显示出极低的界面韧性(8 J m−2)，并且由于PEDOT:PSS聚合物链与玻璃基板之间的弱相互作用，很容易分离。相比之下，PEDOT:PSS/PVA-玻璃接头的界面韧性明显更高，达到1800 J m−2，PEDOT:PSS/PVA与其他固体基材(如不锈钢、Pt、PET和ITO-PET)之间的粘附接头也明显更高。纯PEDOT:PSS水凝胶涂层在PEDOT:PSS水凝胶内部(粘接失效)和粘附界面(粘接失效)都发生了失效，而在PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层内部发生了明显的粘接失效。因此，PVA水凝胶网络的结合对于实现导电水凝胶和固体基质之间的牢固粘附至关重要。此外，PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层表现出优异的稳定性，在PBS缓冲液中浸泡14天后，界面韧性和界面疲劳阈值保持一致，与含水量和电导率不变一致。图3|PEDOT：PSS/PVA水凝胶涂层的电化学稳定性研究评估了Pt基板上的PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层在多循环充放电处理过程中的电化学性能变化，模拟了通过那些生物医学设备(如心脏起搏器)的电极进行长期电刺激时可逆电荷注入/排出的过程。对于通过自旋涂层制备的PEDOT: PSS涂层Pt电极，观察到在10,000循环充放电过程中电化学性能逐渐恶化，导致电荷存储能力(CSC)下降65%。这种恶化可归因于疲劳引起的PEDOT:PSS涂层的结构解体和分层，因为重复的体积膨胀/收缩过程，正如PEDOT:PSS涂层的形貌变化所证明的那样。相比之下，PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层的电化学性能在10,000循环充放电过程中保持稳定，CV曲线略有变化。1万周期治疗前后，CSC下降18%;界面形态保持不变。还进行了90度剥离试验，以定量评估涂层界面坚固性的演变，结果显示PEDOT:PSS/PVA涂层的界面韧性略有下降。此外，还发现了纳米晶结构域的锚定可以有效地提高导电水凝胶涂层的力学和电化学稳定性，从而满足植入生物电极的长期鲁棒性和可靠性要求。图4|Langendorff灌流心脏模型心脏起搏用导电聚合物水凝胶涂层电极 为了评估强导电性水凝胶涂层对心功能干扰的诊断和治疗效果，采用Langendorff仪灌注大鼠心脏模型。为此，使用化学接枝技术将聚(丙烯酸- N -羟基丁二酰亚胺丙烯酸酯)(聚(AA-NHS))的粘合聚合物刷引入PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层上，以便将平面电极牢固地附着在潮湿的心脏表面上。然后将起搏探头置于左心室，起搏电压逐渐升高至0.7 V，直到成功捕获，表明起搏和自主心率同步。广泛证实，在长期电起搏过程中，导电水凝胶涂层的反复体积膨胀/收缩会导致疲劳裂纹形成和/甚至涂层分层，进一步恶化心电信号记录和起搏效果。由于PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层与心脏组织之间具有机械柔韧的生物界面，以及水凝胶与金属电极之间具有抗疲劳的界面，起搏阈值电压保持不变。相反，由于界面分层和结构解体， PEDOT:PSS涂层Pt电极的起跳阈值电压从0.6 V大幅增加到1.6 V，接近裸Pt电极的起跳阈值电压。同样，PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层的长期心脏起搏能力在灌注大鼠心脏模型10000周期起搏中得到证实，心电图模式变化很小。相比之下，PEDOT:PSS水凝胶涂层的ECG信号逐渐恶化。这些发现进一步证明了导电水凝胶涂层的耐久性及其与心脏组织建立密切保形接触的能力。图5|导电聚合物水凝胶涂层生物电极体内治疗房室传导阻滞高级房室(AV)传导阻滞对应于从心房到心室的冲动的中断，因为心脏系统的功能损伤，这通常用电起搏来治疗。在金属电极上引入机械顺应性和抗疲劳性导电水凝胶涂层有望缓解界面阻抗不匹配和宿主反应，并延长电起搏的长期可靠性。为了验证用于心脏电起搏的PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层电极的潜力，使用全心脏大鼠模型进行了体内研究。证实了PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层Pt电极成功地为动物模型的起搏提供了心外膜刺激。移除电起搏导致心率和节律恢复到其原始状态。此外，对主要器官(包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏)的进一步组织学分析显示，使用该导电水凝胶涂层电极的体内起搏没有引起副作用。类似于使用Langendorff装置的体外模型研究，还测试了导电水凝胶涂层电极在PBS缓冲液中进行5000次循环充电/放电处理后的起搏功效，以加速导电水凝胶涂层和界面的老化。对于PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂覆的Pt电极，在重复充放电处理之前和之后，ECG特性表现出显著的一致性，证实了抗疲劳PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层的优异稳定性。这些发现表明PEDOT:PSS/PVA水凝胶涂层成功地降低了起搏阈值电压并增强了体内电刺激的功效。该研究提出了一种简单而可靠的策略，通过将水凝胶纳米结构粘合到固体基材上来设计具有抗疲劳导电水凝胶涂层的电极。由此产生的粘合接头表现出高达 330 J m−2 的界面疲劳阈值。该研究的创新方法能够在金属生物电极上开发持久的水凝胶涂层，在生物组织和金属电极之间提供机械顺应性、导电性和生物相容性的界面。通过广泛的离体和体内研究，证明了铂电极上的抗疲劳导电水凝胶涂层可以有效降低起搏阈值电压并增强心脏起搏的功效，而不会导致界面恶化。该研究的制造策略不仅为构建长期且稳健的组织生物电子学接口提供了实用的解决方案，而且还解决了植入生物电子学中长期存在的寿命挑战。此外，该研究结果对生物电子设备的进步具有重要意义，并为未来改进生物医学应用铺平了道路。
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