江西科技师范大学卢宝阳教授 Chem. Mater.：PSS链工程构筑本征可拉伸、可3D打印高导电PEDOT:PSS水凝胶          

江西科技师范大学卢宝阳教授团队提出了PSS链工程策略，在PSS链上引入聚（N-羟甲基丙烯酰胺）（PNHMAA），设计合成了一种新型PEDOT:P(SS-co-NHMAA)水凝胶。该水凝胶电导率> 1800 S m^-1，比传统半互穿结构增韧的PEDOT:PSS水凝胶高出两个数量级；拉伸性> 50%，优于纯PEDOT:PSS（10% ~ 40%）。基于这些性能优势，进一步通过多材料3D打印技术制作了水凝胶皮肤电极，所制备的电极表现出优异的皮肤顺应性和良好的电学性能，可以实现对人体EMG信号的高精度检测（信噪比高于商业化皮肤电极）。因此PSS链工程策略不仅解决了高性能导电聚合物水凝胶发展的长期挑战，而且为下一代水凝胶生物电子器件和应用提供了一个新途径。该工作以“Design of highly conductive, intrinsically stretchable, and 3D printable PEDOT:PSS hydrogels via PSS-chain engineering for bioelectronics”为题发表在《Chemistry of Materials》上，并被遴选为Supplementary Cover论文。

导电聚合物水凝胶，尤其是PEDOT:PSS基水凝胶，由于其同时具有离子-电子导电性、类组织力学性以及优异的生物相容性，现已成为理想的生物电子界面材料。在过去三年中，PEDOT:PSS基水凝胶在生物电子学领域取得了巨大进展，包括对PEDOT:PSS水凝胶的设计和合成基础认识的建立，先进制造和加工技术的发展，以及神经刺激和信号记录的生物电子器件和应用的开发。然而，兼具优异力学、电学、加工性的PEDOT:PSS基水凝胶的开发仍存在系列挑战：纯PEDOT:PSS水凝胶具有高电学性能，但力学性能差，容易碎裂（Pure PEDOT:PSS hydrogels, Nature Communications 2019, 10, 1043）。将PEDOT:PSS与其他强韧水凝胶体系复合可显著提高其力学性能，但这些水凝胶体系的引入通常会阻碍导电PEDOT相之间的连通性，严重折损其电学性能，且复合后PEDOT:PSS水凝胶的凝胶方式与溶胀行为会发生改变，从而影响其加工能力，阻碍了生物电子器件的设计开发及其实际应用。

PEDOT:P(SS-co-NHMAA)水凝胶的设计与合成：

图1 PEDOT: P(SS-co-NHMAA)水凝胶的设计与合成

PSN水凝胶的力学与电学性能：

          PSN水凝胶具有优异的力学与电学性能，在力学性能上相比于同条件下制备的纯PEDOT:PSS水凝胶，PSN水凝胶最大拉伸性提升4倍可达到53%；最大韧性提升了近40倍达到了414 kJ m^-3。在电学性能上，PSN水凝胶最高电导率> 1800 S/m，可达同条件下自制纯PEDOT:PSS水凝胶的3倍，比传统半互穿结构增韧的PEDOT:PSS水凝胶高出两个数量级，且电化学稳定性优异，在5000次充放电循环测试和100000次双向注入脉冲刺激后仍然保持远低于Pt电极的界面阻抗和高电荷储存容量与注入性能（图2），能够满足生物电子界面的性能需求。

图2 PSN水凝胶的力学与电学性能

3D打印PSN墨水制备及3D打印流程：

团队通过冻干再分散的方式有效调控PSN水分散液的粘度，进而制备了满足3D打印性能的PSN墨水。这种墨水具有卓越的3D打印性和可编程性，可以通过DIW 3D打印技术便捷地制造出各种高分辨率的二维图案（例如叉指电极、网状结构和多电极阵列）和悬挂式三维结构。打印的电极阵列显示出优异的电学性能，可运行发光二极管（LED）等电气元件。此外，PSN水凝胶中P(SS-co-NHMAA)的羟基和醚键能有效增强与PET、聚酰亚胺、纸张等各种基材的界面粘附力，使其在弯曲和扭曲等各种力学形变情况下都能牢固贴合，而不会出现任何显著分层现象（图3、视频1）。这种优异的3D打印性和可编程性，结合其出色的电学和力学性能，有望使PSN水凝胶应用于各种前沿领域（例如可拉伸电子、柔性生物电子）。

图3 3D打印PSN墨水制备及3D打印流程

基于PSN水凝胶柔性皮肤电极的多材料一体化3D打印及其电生理信号记录

   团队通过将PSN墨水、导电银浆（电极层）和PDMS（基底与封装层）墨水相结合，进一步展示了基于PSN水凝胶柔性皮肤电极的多材料一体化3D打印。打印的电极表现出良好的皮肤顺应性，可用于前臂肌肉等其他不同部位的EMG信号记录。通过对肌电信号的处理与分析，PSN水凝胶基皮肤电极表现出与商业化EMG电极（Covidien H99SG）相似的信号记录能力，甚至略好于商业化EMG电极。这些结果表明，该PSN水凝胶基皮肤电极能够稳定、连续地记录肌电信号（图4）。

图4 BC-CPH全水凝胶生物电极的多材料一体化3D打印及其性能

   综上所述，PSS链工程策略可以制备高电导率、高拉伸、高韧性、高稳定性等优势性能的PSN水凝胶，克服了PEDOT:PSS水凝胶高电导率与力学强韧性之间的矛盾关系。此外，PSN水凝胶前体墨水还具有优异的可加工性，可以通过先进的DIW 3D打印技术轻松实现图案化加工与应用。所得的PSN水凝胶基柔性皮肤电极可以稳定且连续地纪录人体肌电信号，在可穿戴设备与生物医学领域有着良好的应用前景。这项工作不仅为设计高性能导电聚合物水凝胶提供了一个新途径，使人机交互界面变得更加完善，还有望推广PEDOT:PSS基水凝胶在软生物电子、组织工程，甚至神经科学及临床应用。

   该工作第一作者是江西科技师范大学硕士研究生余佳文、田发娟和王文，通讯作者是江西科技师范大学卢宝阳教授，参与作者还包括江西科技师范大学徐景坤教授、上海交通大学陈晨博士、江南大学刘敬成教授等。

撰稿人：张丽萍

稿件校稿与编辑：田发娟、张丽萍