導(dǎo)電聚合物兼具獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)性能及生物兼容性.作為界面材料有望實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定高效的人機(jī)交互及融合。然而，當(dāng)前導(dǎo)電聚合物與各類基底材料在人體環(huán)境中的粘附性能普遍較差，嚴(yán)重影響了生物電子器件的功能及壽命。近日，麻省理工學(xué)院趙選賀團(tuán)隊提出了一種實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物涂層與多種基底強(qiáng)力粘附的通用策略，該方法通過引入納米級親水性聚合物粘接層與導(dǎo)電聚合物形成分子互穿網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了粘結(jié)劑粘附性能與導(dǎo)電聚合物電學(xué)、力學(xué)性能的有效結(jié)合。這一策略操作簡單，成本低廉，與導(dǎo)電聚合物現(xiàn)有加工技術(shù)兼容性良好，并可與商業(yè)化生物電極集成用于開發(fā)堅韌導(dǎo)電聚合物生物電子界面。
人體與各種生物電子設(shè)備的交互和融合是現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最前沿問題之一。長期穩(wěn)定高效的人機(jī)界面有可能帶來對人體和生命前所未有的理解；同時影響著我們每個人的健康、學(xué)習(xí)、工作、生活、社會安全；以及推動AI （通過理解人腦）、機(jī)器人 、大數(shù)據(jù)等各個領(lǐng)域的發(fā)展。導(dǎo)電聚合物及其水凝膠涂層兼具獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)性能及生物兼容性，作為界面材料有望實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定高效的人機(jī)交互及完美融合（參見前期工作Chemical Society Reviews 2019, 48, 1642; Nature Communications 2019, 10, 1043）。然而，當(dāng)前導(dǎo)電聚合物與各類基底材料在人體環(huán)境中的粘接性能普遍較差且不穩(wěn)定、容易脫落，嚴(yán)重影響了生物電子器件的功能及壽命。例如Neuralink公司總裁Elon Musk在其研究報告中明確指出：導(dǎo)電聚合物阻抗小，作為電極界面材料性能優(yōu)異，但其長期穩(wěn)定性尚需提高。因此，堅韌且長期穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物生物電子界面研發(fā)是當(dāng)前人機(jī)交互融合的重大難題之一。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系趙選賀教授團(tuán)隊最新發(fā)表在Science Advances上的研究論文（Strong Adhesion of Wet Conducting Polymers on Diverse Substrates, Science Advances 2020, 6, eaay5394 ）報道了一種能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電聚合物涂層與多種基底長期堅韌粘附的方法。該方法先對各類基底進(jìn)行氨基功能化預(yù)處理，再通過旋涂、噴涂和浸涂等方法將親水性聚氨酯（PU）涂附到基底上，形成納米粘接層；納米粘附層溶脹后可直接涂布導(dǎo)電聚合物水溶液（例如PEDOT:PSS等）或電化學(xué)聚合其單體溶液（如EDOT、吡咯、苯胺單體溶液等），在水性體系中形成聚合物分子互穿網(wǎng)絡(luò)，以期實(shí)現(xiàn)粘接層粘附性能與導(dǎo)電聚合物電學(xué)、力學(xué)性能的完美結(jié)合。具體設(shè)計原理見圖1。
圖1. 導(dǎo)電聚合物涂層強(qiáng)力粘附的設(shè)計原理
這種設(shè)計策略簡單有效，能夠?qū)崿F(xiàn)水性體系中導(dǎo)電聚合物在多種基底材料上的強(qiáng)力粘附。粘附性能測試結(jié)果（圖2）表明含PU粘接層的PEDOT:PSS水凝膠在玻璃基板上表現(xiàn)出高剪切強(qiáng)度（> 120 kPa），而未經(jīng)處理的對照樣品剪切強(qiáng)度非常低（0.08 kPa），很容易從基板上脫落。此外，PEDOT:PSS、聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PAni）等不同導(dǎo)電聚合物材料，涂布在含PU粘接層的氨基功能化玻璃基板后，其剪切強(qiáng)度均顯著高于對照樣品。值得注意的是，剪切試驗(yàn)中導(dǎo)電聚合物材料均發(fā)生了內(nèi)部力學(xué)破壞，這說明粘結(jié)界面強(qiáng)度要高于導(dǎo)電聚合物自身強(qiáng)度。此外，該方法還具有優(yōu)異的基底普適性，能夠?qū)崿F(xiàn)硬/軟、絕緣/導(dǎo)電等多種基底的強(qiáng)力粘附，如玻璃(抗剪強(qiáng)度160 kPa)、聚酰亞胺(抗剪強(qiáng)度116 kPa)、PDMS(抗剪強(qiáng)度111 kPa)、ITO玻璃(抗剪強(qiáng)度149 kPa)和金(抗剪強(qiáng)度146 kPa)等。
圖2. 水性體系中導(dǎo)電聚合物在各種基材上的強(qiáng)力粘附
導(dǎo)電聚合物涂層強(qiáng)力粘附的長期穩(wěn)定性是各種生物電子器件功能及壽命的重要保障條件。通過長時間超聲測試發(fā)現(xiàn)，滴涂PEDOT:PSS薄膜在含PU粘接層基底上連續(xù)超聲10 min力學(xué)及電學(xué)性能無明顯變化，而在無PU粘接層ITO玻璃電極上PEDOT:PSS薄膜在PBS中超聲不足1 min即完全脫落。長期循環(huán)伏安掃描顯示，所制備的PEDOT:PSS強(qiáng)力粘附涂層具有可逆的氧化還原活性，掃描10000圈后無界面脫粘現(xiàn)象，電荷存儲能力降低小于6%，長期穩(wěn)定性優(yōu)異。同時，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這種強(qiáng)力粘附界面的設(shè)計策略同樣適用于電化學(xué)聚合法沉積導(dǎo)電聚合物涂層，且電沉積導(dǎo)電聚合物涂層在超聲或者長時間循環(huán)伏安掃面下力學(xué)、電學(xué)、電化學(xué)等性能的長期穩(wěn)定性優(yōu)異。
圖3. PEDOT:PSS水凝膠強(qiáng)力粘附的力學(xué)及電化學(xué)穩(wěn)定性
團(tuán)隊成員進(jìn)一步以商業(yè)化生物電極為例驗(yàn)證了這種導(dǎo)電聚合物強(qiáng)力粘附界面設(shè)計的實(shí)用性及與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性。電沉積 PEDOT:PSS能夠有效提高各種生物電極產(chǎn)品的電學(xué)性能，然而電沉積導(dǎo)電聚合物涂層在生理環(huán)境中的穩(wěn)定性差、易脫落等問題，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。研究團(tuán)隊分別在商業(yè)化的高密度平面金電極和鉑神經(jīng)電極表面成功利用電化學(xué)聚合制備了PEDOT:PSS堅韌粘附涂層，有效增強(qiáng)了商業(yè)化電極的電學(xué)性能，同時電極穩(wěn)定性優(yōu)異，超聲1小時不發(fā)生明顯力學(xué)降解。
圖4. 導(dǎo)電聚合物水下強(qiáng)力粘附用于商業(yè)化生物電極產(chǎn)品
本工作所報道的導(dǎo)電聚合物強(qiáng)力粘附生物電子界面的制備方法簡單、普適性強(qiáng)，且材料選擇范圍廣，如其他親水性聚合物（PVA等）也可用作粘接層，同時加工工藝與導(dǎo)電聚合物現(xiàn)有加工技術(shù)兼容性良好，可與商業(yè)化生物電極集成用于各類高性能生物電子器件或設(shè)備。
大家點(diǎn)評
斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長、美國國家工程院院士鮑哲南教授在接受MIT新聞采訪時對該工作評價說：“I think this is a great piece of work,” says Zhenan Bao, a professor of chemical engineering at Stanford University, who was not associated with this research. “Wet adhesives are already a big challenge. Conductive adhesives that work well in wet conditions are even more rare. They are very much needed for nerve interfaces and recording electrical signals from the heart or brain.” Bao says this work “is a major advancement in the bioelectronics field.”
MIT訪問學(xué)者、日本JSR株式會社Akihisa Inoue博士、MIT博士生 Hyunwoo Yuk以及江西科技師范大學(xué)盧寶陽教授為論文的共同作者，MIT終身教授趙選賀為通訊作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaay5394.full?from=groupmessage
盧寶陽教授就職于江西科技師范大學(xué)柔性電子創(chuàng)新研究院，擔(dān)任常務(wù)副院長。入選江西省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項(xiàng)目、江西省主要學(xué)科學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人、江西省杰出青年人才計劃、江西省百人遠(yuǎn)航工程。曾獲中國青少年科技創(chuàng)新獎、江西省自然科學(xué)獎一等獎、江西省高校科技成果一等獎等多項(xiàng)科研獎勵。主持國基3項(xiàng)、省級重點(diǎn)項(xiàng)目等十余項(xiàng)。目前實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)充裕，擁有年輕和諧的科研團(tuán)隊，一流的公共科研平臺以及良好的工作氛圍。主要研究方向?yàn)椋?
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高性能導(dǎo)電聚合物合理設(shè)計；
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導(dǎo)電聚合物加工及器件化；
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動態(tài)表界面調(diào)控；
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導(dǎo)電聚合物在人機(jī)交互界面上的應(yīng)用。
研究院目前擬全職引進(jìn)材料類、化學(xué)類、電子類等相關(guān)學(xué)術(shù)背景的博士數(shù)名，待遇優(yōu)厚，有意者請將個人簡歷（pdf）發(fā)送至盧寶陽教授郵箱luby@mit.edu，郵件標(biāo)題請注明“姓名+專業(yè)+畢業(yè)學(xué)校”。
MIT趙選賀團(tuán)隊（http://zhao.mit.edu）專注推動軟材料和人機(jī)共融科技，最近的成果包括：
生物電子方向（Bioelectronics）
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定義水凝膠生物電子學(xué)（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)
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首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物水凝膠和多種基底的堅韌粘附。
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首次提出純PEDOT:PSS高性能導(dǎo)電水凝膠機(jī)理、制備及圖案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019)
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首創(chuàng)可食用水凝膠電子并用來長期監(jiān)測核心體征 Nature Communications, 10， 493 (2019)
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首創(chuàng)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)
生物粘合方向 （bioadhesives）
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首次提出干燥交聯(lián)（dry-crosslinking）機(jī)理,用于粘合各種潮濕表面（wet adhesion）。發(fā)明人體雙面膠（tissue double-sided tape），能夠在5秒內(nèi)粘合軟濕組織器官和植入設(shè)備，并保持長期堅韌、柔軟且生物兼容。Nature 575 (7781), 169-174 (2019)
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首次提出水凝膠抗疲勞粘結(jié) （fatigue-resistant adhesion）的機(jī)理并實(shí)現(xiàn)與各種材料的抗疲勞粘結(jié) Nat. Commun.,2020, https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3
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首次提出水凝膠超韌粘結(jié) （tough adhesion）的機(jī)理并實(shí)現(xiàn)與各種材料的超韌粘結(jié) Nature Materials 15, 190 (2016)
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首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer tough hybrid）并實(shí)現(xiàn)不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)
生物醫(yī)療機(jī)器人方向 （biorobots）
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首次提出3D打印鐵磁軟材料和軟機(jī)器 Nature, 558, 274 (2018)
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首創(chuàng)鐵磁軟體導(dǎo)絲機(jī)器人，并遙控巡航復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò) Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)
生物電子方向（Bioelectronics）
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首次提出純PEDOT:PSS高性能導(dǎo)電水凝膠機(jī)理、制備及圖案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019)
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首創(chuàng)可食用水凝膠電子并用來長期監(jiān)測核心體征 Nature Communications, 10， 493 (2019)
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首創(chuàng)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)
水凝膠方向 （hydrogels）
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提出抗疲勞水凝膠材料的設(shè)計原理，并首次實(shí)現(xiàn)超高抗疲勞斷裂（anti-fatigue-fracture）水凝膠材料 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)；PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)
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首次提出3D打印超韌超彈水凝膠的方法并打印各種載細(xì)胞的超韌超彈水凝膠結(jié)構(gòu) Advance Materials, 27, 4035 (2015)
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首創(chuàng)液壓水凝膠驅(qū)動器和機(jī)器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)
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首創(chuàng)超高拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)
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首次實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療儀器上的超韌水凝膠涂層 Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)
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首創(chuàng)并3D打印可拉伸生命器件 （stretchable living devices）PNAS, 114, 2200 (2017)；Advanced Materials, 1704821 (2017)
失穩(wěn)方向 （Instabilities）
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首次應(yīng)用力學(xué)失穩(wěn)得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)
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首次提出可重復(fù)折疊大面積石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)
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首次發(fā)現(xiàn)并解釋電致褶皺（electro-creasing）和電致空穴（electro-cavitation）現(xiàn)象 Physical Review Letters, 106, 118301 (2011)；Nature Communications, 3, 1157 (2012).
綜述
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定義水凝膠機(jī)器 (hydrogel machines) Materials Today (2020)
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定義水凝膠生物電子學(xué)（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)
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系統(tǒng)闡述水凝膠增強(qiáng) （high strength）的機(jī)理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)
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系統(tǒng)闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機(jī)理 Soft Matter, 10, 672 (2014)
