植入式柔性电导体是近年来发展起来的一种新型材料，并应用于生物电子学。理想的电导体要求具有高导电性、与组织类似的机械性能、低毒性、与生物组织的可靠粘附性，以及在潮湿的生理环境中保持形状的能力。尽管已经取得了重大进展，现有的电导体还很难满足所有的这些要求。

浦项科技大学Youn Soo Kim教授团队介绍了一种通过同时剥离石墨和微波辐射引发两性离子单体聚合来制备新型导电水凝胶的简便方法。所获得的导电水凝胶的机械性能与活组织的机械性能类似，是一种理想的仿生粘合剂，可最大限度地减少硬电子设备和软组织之间的机械失配造成的接触损伤。此外，它还具有优异的粘附性能、导电性、不溶胀性、在水中的高相容性以及良好的生物相容性。将水凝胶植入大鼠坐骨神经，通过低电流电刺激证明了可用于神经调节。这种水凝胶已经被证明是一种类似组织的神经元外电极，具有高度的整合性，可以改善组织电子学界面，有望在下一代生物电子学中得到应用。该研究以题为“Electroconductive, Adhesive, Non-swelling, and Viscoelastic Hydrogels for Bioelectronics”发表在《Advanced Materials》上。

【SG水凝胶的制备与物化性质表征】

将天然石墨、水溶性咪唑基两性离子单体（SBVI）和引发剂混合，然后使用30 W的单模微波装置进行辐照。120分钟后，初始预凝胶溶液成为均匀的深黑色聚（SBVI）-石墨烯水凝胶（SG水凝胶）。微波辐射期间，聚（SBVI）的咪唑和石墨烯表面之间产生有效的阳离子-π相互作用，这将提供与石墨烯之间的聚合物链交联的网络结构。

图1：SG水凝胶制备示意图

扫描电子显微镜（SEM）结果表现出SG水凝胶良好的稳定性多孔内部结构。微波辐照后的石墨烯显示出不同的X射线衍射（XRD）曲线与拉曼峰，与石墨本身的曲线不同。研究了SG水凝胶的流变特性，确认其表现出典型物理凝胶的动态粘弹性行为。SG2水凝胶（石墨烯含量2%）的G’和G”分别为8.04 kPa和4.77 kPa，计算的粘弹性为0.59，与脑和神经组织的粘弹性相近。从1%到500%重复施加应变，SG2水凝胶的G’和G”能立即恢复到初始状态，显示出自愈能力。

图2：SG水凝胶的物理表征

通过将水凝胶涂覆在用作柔性集电器的亲水多孔碳布上来制备基于SG水凝胶的电极。在200 mV s-1的扫描速率下，SG2水凝胶在其他SG水凝胶中显示出最高的电容，且在不同扫描速率下，电容呈线性增长，并表现出优异的循环稳定性。组装了全水凝胶超级电容器，可允许扭曲、折叠和弯曲等变形，证明了SG2水凝胶的自愈特性。

图3：SG水凝胶的电学特性

【SG水凝胶的粘附性表征】

通过空气中的搭接剪切试验和水中的粘性试验评估SG水凝胶对各种材料的粘附性能。SG水凝胶的粘附强度随水凝胶中所含石墨烯的量而变化，这是因为粘附力由暴露在水凝胶表面的自由聚（SBVI）链的数量决定。粘附物在水中的粘附强度趋势与搭接剪切试验相似，但总体值较小。在空气和水中，SG2水凝胶在金表面和生物组织（包括猪皮、鸡心和鸡肝）之间的稳定粘附都得到证实，这对于生物电子器件至关重要。进一步表征证实了SG2水凝胶的非膨胀性、可重复使用性和整合性。

图4：SG水凝胶的黏附特性

图5：SG水凝胶的非膨胀性、可重复利用性与整合性

【SG2水凝胶用于神经调节】

首先体内外细胞毒性与增殖实验证实了SG水凝胶的生物相容性，可用于生物医学应用。随后，为了证明其在周围神经系统中的多功能性和神经调节，将Au/SG2电极直接植入大鼠坐骨神经。SG2水凝胶电极在干燥和潮湿条件下均保持稳定。在50 μA的双相脉冲幅度下，Au/SG2电极的肌力高于Au电极的肌力。以50 μA的双相脉冲幅度进行电刺激，在没有和有电刺激的情况下，腿部踝关节运动角度从0°到50.67°。这些结果表明，SG水凝胶能够与神经组织可靠结合，而不会出现任何设备故障，并维持坐骨神经的健康和功能。

图6：SG水凝胶的生物相容性

图7：使用SG2水凝胶对周围神经系统进行神经调节

【小结】

综上所述，该工作通过同时剥离石墨和通过微波辐射引发两性离子单体聚合，获得了一种前所未有的多功能导电材料SG水凝胶，其机械性能与软生物组织相似，并且在水中表现出生物相容性、导电性、不膨胀和粘附性。它显示出类似于组织的机械性能和良好的生物相容性；因此，它被用作大鼠坐骨神经神经调节界面的理想导电体。该研究开发的导电水凝胶为与可变形生物组织的可靠电通信提供了一种策略，并有助于下一代生物电子学的发展。

来源：高分子科学前沿