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  近年來，隨著可穿戴電子設備和生物醫學工程的快速發展，對高性能、生物相容性和機械柔性的儲能設備產生了迫切的需求。為了滿足微型器件的功率需求，超級電容器作為一種關鍵的儲能技術，因其高功率密度、快充放電速率、長循環壽命等特點而備受關注。然而，傳統的超級電容器主要采用剛性材料，無法滿足可植入裝置對柔性和生物相容性的嚴格要求。因此，開發新型柔性超級電容器材料，特別是集生物相容性和黏附性于一體的水凝膠超級電容器成為當前的研究熱點。本文提出一種基于高粘附性聚丙烯酸水凝膠并利用PEDOT:PSS作為導電材料的新型可植入柔性水凝膠超級電容器。通過分子設計和材料優化，獲得了優異的粘附性、電化學性能和機械性能。同時系統地評估了該超級電容器的生物相容性和長期植入性能，證實了其在生物醫學應用中的潛力。該工作以“ A Hydrogel Implantable Supercapacitor with Tissue-Adhesive Using PEDOT:PSS as Active Material”為題發表在“Biomacromolecules”上。文章第一作者為蘭州理工大學材料學院碩士生周素汀，通訊作者為冉奮教授。

  粘附型超級電容器的結構采用了對稱的三明治設計，兩側均設有相同的電極層，中間填充有水凝膠電解質（圖1）。具體而言，電極層由聚丙烯酸水凝膠基質構成，其中摻入了PEDOT：PSS作為導電成分。在組裝對稱超級電容器之前，電極層會經過DMSO熱處理，這有助于PEDOT：PSS分子鏈在水凝膠中的伸展。圖2展示了水凝膠基超級電容器的基體配比篩選以及經過DMSO后處理前后的表征測試。DMSO的后處理顯著提高整體的導電性和電容量（圖3）。對于植入式柔性超級電容器而言，體內無需縫合線至關重要。因此，該裝置必須具備強大的組織粘附能力。這種粘附性得益于聚丙烯酸材料中豐富的親水性功能基團和靈活的長分子鏈，能夠實現與組織的安全連接，無需使用手術縫合線(圖4）。水凝膠電解質由聚丙烯酸與殼聚糖季銨鹽的共聚物形成。這種設計特別強調了生物相容性，這是植入設備的關鍵特性。通過選用生物相容性的聚丙烯酸水凝膠和導電聚合物，該設備確保了其適用于體內應用。此外，殼聚糖季銨鹽的加入不僅增強了生物相容性，還賦予了抗菌性能，確保了體內植入的安全性（圖5）。

圖1. 聚丙烯酸基PEDOT：PSS超級電容器的制備工藝及粘附機理。

圖2. (a)水凝膠電解質和電極層的傅里葉紅外光譜。(b)6種水凝膠的離子電導率與聚丙烯酸交聯劑含量（0.7%，0.8%，1%，1.2%，1.5%，2%）的關系。(c)六種水凝膠的應力-應變曲線。(d)DMSO處理前電極層中S 2p的X射線光電子能譜。(e)DMSO處理后電極層中S 2p的X射線光電子能譜。(f)DMSO處理前后電極層中S 2p的X射線光電子能譜對比。（g，i）DMSO處理前電極層表面的激光共聚焦顯微鏡圖像。（h，j）DMSO處理后電極層表面的激光共聚焦顯微鏡圖像。(k)DMSO處理前電極層表面的SEM結果。(l)DMSO處理后電極層表面的SEM結果。

圖3. 展示了電化學性能測試的結果，包括循環伏安曲線(a)、充放電曲線(b)、阻抗(c)以及在0.1 mA cm?3條件下處理前后的比容量(d)。(e)顯示了設備經過10,000次GCD循環和DMSO處理后的電容保持情況。(f)展示了設備彎曲100次后的循環伏安曲線。(g)展示了設備在不同彎曲角度下的循環伏安曲線。(h)展示了兩個相同設備并聯連接時，在100 mV s^?1的掃描速率下的循環伏安曲線。

圖4. (a)超級電容器的粘附機制。(b)設備的柔性和手指貼合展示照片。(c)180°拉伸實驗的照片。(d)水凝膠在豬肝、皮膚、腎臟、心臟和血管上的界面韌性及粘性摩擦應力。(e)水凝膠粘附在豬肝、皮膚、腎臟、心臟和血管上的照片。

圖5. (a)小鼠植入第1天和移除裝置第15天的照片。(b)空白組與實驗組四個凝血項目的對比數據。(c)比較了空白組與實驗組在第1天和第15天的血紅蛋白濃度、平均血小板體積、血小板分布寬度以及紅細胞和白細胞分布的數據。(d)比較了空白組與實驗組的肥大細胞數量。(e)空白組與實驗組組織對照的H&E染色和甲苯胺藍染色照片。(f)超級電容器、聚丙烯酸水凝膠和電極層在金黃色葡萄球菌下的抗菌性能。

  原文鏈接：

  A Hydrogel Implantable Supercapacitor with Tissue-Adhesive Using PEDOT:PSS as Active Material.

  Suting Zhou, Meimei Yu, Yumeng Wang, Yuxia Zhang, Xiangya Wang, Fen Ran*

  Citation: Biomacromolecules. 2025

  https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00300

作者簡介

第一作者介紹：

  周素汀，2021年青島科技大學高分子材料與工程專業本科畢業。2022年至今，在蘭州理工大學材料科學與工程學院（有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室）攻讀材料工程碩士學位。

通訊作者介紹：

  冉奮，教授/博士生導師，2022~2024年度科睿唯安全球“高被引學者”。現在蘭州理工大學儲能研究院從事教學與科研工作。課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/ran。