來源:高分子科學前沿 易絲幫
導電水凝膠因其高含水量及與人體軟組織相似的結(jié)構(gòu),被認為在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域有前景的柔性導電材料。然而,常規(guī)的導電高分子普遍不溶于水, 難于復(fù)合于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中。因此,合成具有優(yōu)異性能的導電高分子基水凝膠仍然面臨挑戰(zhàn)。另外,現(xiàn)有的導電水凝膠導電水凝膠缺少合適的生物相容性與粘附性,限制了其在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
針對以上問題,西南交通大學魯雄教授課題組提出在在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中原位形成導電高分子納米纖維的設(shè)計理念,采用親水性的聚多巴胺雜化導電聚吡咯,形成親水性導電納米復(fù)合物,再將高導電復(fù)合物與丙烯酰胺共聚,從而在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中原位形成納米纖維,成功研制出兼具透明、導電、耐拉伸、自粘附性能的新型水凝膠材料。研究成果以“Transparent, Adhesive, and Conductive Hydrogel for Soft Bioelectronics Based on Light-Transmitting Polydopamine-Doped Polypyrrole Nanofibrils”為題,作為封面文章發(fā)表于2018年8月28日出版的 Chemistry of Materials 上,并被頭條推薦。韓璐博士和閆力維博士生為文章共同作者。魯雄教授為通訊作者。
基于聚多巴胺雜化的導電高分子納米纖維,具有良好的親水性,能夠與親水的聚合物網(wǎng)絡(luò)良好的結(jié)合,交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而在水凝膠中形成完整的導電通路,賦予水凝膠優(yōu)良的導電性能(12 S/m)。該納米纖維網(wǎng)絡(luò),允許可見光穿透,使得該水凝膠具有良好透明性能(70%)。另外,這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠在水凝膠形變中均勻分散應(yīng)力,有效地弛豫外力和耗散能量,因此,水凝膠具有超高的拉伸形變能力(2000%)以及斷裂能(3000 J/m2)。此外,由于聚多巴胺-聚吡咯良好的紫外光吸收能力,使得導電水凝膠在保證透明的前提下,表現(xiàn)出良好的防紫外光的能力。體外動物實驗表明,在紫外光(30 mW/cm2 , 365 nm)照射20 min后,老鼠的背部皮膚組織依然能保持無損。更重要的是,由于巧妙地引入了聚多巴胺的酚羥基功能團,導電水凝膠表現(xiàn)良好的組織粘附性。這種同時具有透明導電、自粘附性能的水凝膠能夠方便的,快捷的粘貼在人體皮膚表面,作為導電電極測量人體生理信號、記錄肢體運動信號,同時讓醫(yī)務(wù)人員方便的透過水凝膠觀測皮膚表面。
圖1. 透明、導電、耐拉伸、自粘附性能的新型導電水凝膠材料的設(shè)計。
這種原位形成透明導電納米網(wǎng)絡(luò)的策略為今后制備疏水性導電高分子復(fù)合水凝膠提供了新途徑;為研發(fā)具有電學性能以及透明性能、組織粘附性能的導電高分子基水凝膠材料的設(shè)計和構(gòu)筑提供了新思路;所制備的水凝膠材料在柔性、透明、可拉伸電子設(shè)備領(lǐng)域、電子皮膚,可穿戴智能器械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃 (2016YFB0700802),國家自然科學基金、中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和中國博士后基金等項目的資助。
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