《AM》: 堅固、生物相容和抗疲勞的導電水凝膠涂層
2023-06-30 16:32:12
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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先進的可植入生物電子學在生物界面提供長期有效的功能方面具有革命性的潛力，使診斷和治療各種疾病和疾病的能力成為可能。這種生物電子技術需要無縫集成到人類皮膚、組織甚至重要器官的表面，其中界面提供柔軟的機械耦合并促進有效的電/光/熱/化學交換。盡管生物電子學最近取得了進展，但仍然很難實現長期機械堅固和順應的傳統金屬電極的植入。此外，長期植入金屬生物電極通常會觸發炎癥反應，例如在植入物周圍積聚具有代謝活性的炎癥細胞或神經膠質細胞，并將植入物包裹在無血管的膠原組織中，從而大大削弱界面的電/光/熱/化學交換效率。因此，這一限制對植入物的快速創新和長期可靠性構成了實質性的障礙。由聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚(3，4-乙二氧基噻吩基)-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)等導電聚合物制成的水凝膠，由于其固有的柔軟、濕潤、優異的機械柔韌性和電化學穩定性，已成為一種很有前途的電極涂層材料。尤其是，基于PEDOT：PSS的導電聚合物水凝膠由于其獨特的雙重導電性(電性和離子導電性)和良好的生物相容性而引起了極大的關注。然而，PEDOT：PSS基電極或器件與生物組織的長期接觸帶來了挑戰和挑戰。例如極低的延伸性(斷裂應變為∼2%)和極低的韌性(∼500 kJ m−3)，這是因為富PEDOT域的固有脆性。這種方法的目標是(i)提供與生物組織/器官類似的界面物理化學和電化學性質，(ii)實現高效和雙向的生物界面，以及(iii)在不影響生物植入物功能的情況下緩解異物反應。然而，一個關鍵的限制來自于在長期的電界面連接過程中由電荷注入/噴射引起的重復體積膨脹/收縮，這進一步增加了導電聚合物/水凝膠涂層對疲勞裂紋擴展和/或分層的敏感性。盡管已經開發了一些策略來在PEDOT：PSS導電聚合物水凝膠和金屬電極之間構建堅固的界面，通常依賴于功能性EDOT單體的化學錨定或PSS聚合物鏈形成雙重網絡，實現長期的穩健性仍然具有挑戰性。因此，人們對開發一種關鍵的使能技術來設計導電水凝膠涂層引起了廣泛的興趣，這些涂層具有優異的電學性能和長期的電化學和機械穩定性，用于生物電子學、電子皮膚、個性化醫學和腦機接口。近日，南方科技大學劉吉團隊提出了一種普遍而可靠的方法來實現導電聚合物水凝膠涂層在傳統金屬生物電極上的抗疲勞附著力，方法是在水凝膠涂層和金屬襯底之間的界面上設計納米晶結構域。由此得到的導電聚合物水凝膠涂層具有優異的機械穩定性，允許在長期電氣接口期間進行多循環電荷注入/噴射。此外，在生物電極表面引入導電聚合物水凝膠涂層有效地改善了生物相容性，緩解了宿主的反應，并在金屬電極和生物組織之間提供了一個機械順應性的生物界面。還成功地展示了抗疲勞導電水凝膠涂層在傳統金屬電極上用于心臟起搏的潛在應用。這種應用不僅有效地降低了起搏閾值電壓，而且還提高了耐疲勞導電水凝膠涂層的電刺激效果。通過克服傳統植入生物電極的這些關鍵缺點，這種方法為下一代生物接口技術奠定了基礎。該研究工作以題為“Mechanically-compliant Bioelectronic Interfaces through Fatigue-resistant Conducting Polymer Hydrogel Coating”的論文發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。圖1|具有耐疲勞水凝膠涂層的機械順應性生物電子接口的設計該研究采用聚乙烯醇（PVA）水凝膠作為模型材料體系，因其能夠輕松形成結晶度可調的納米結構，如納米晶區或納米纖維。首先，通過將聚合物溶液浸漬到固體基材上（如玻璃），形成低結晶度的PEDOT:PSS/PVA水凝膠。隨后，將PEDOT:PSS/PVA涂層風干，顯著提高其結晶度并增強PVA聚合物鏈與固體基材的親和力。在去離子水中浸泡后，PEDOT:PSS/PVA聚合物涂層可在約10分鐘內轉變為水凝膠涂層。隨后的熱處理過程進一步誘導有序納米晶區與固體襯底之間的氫鍵形成，從而形成強大的粘附界面。作為對照，使用傳統的旋涂法在固體基材上制備了PEDOT:PSS導電水凝膠涂層，并進行額外的熱處理以提高界面粘附性并增加PEDOT:PSS結構域的結晶度。為了評估PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層在各種基材上的粘合性能，研究人員進行了90°剝離測試以測量界面韌性。自旋涂覆的PEDOT:PSS薄膜顯示出極低的界面韌性(8 J m−2)，并且由于PEDOT:PSS聚合物鏈與玻璃基板之間的弱相互作用，很容易分離。相比之下，PEDOT:PSS/PVA-玻璃接頭的界面韌性明顯更高，達到1800 J m−2，PEDOT:PSS/PVA與其他固體基材(如不銹鋼、Pt、PET和ITO-PET)之間的粘附接頭也明顯更高。純PEDOT:PSS水凝膠涂層在PEDOT:PSS水凝膠內部(粘接失效)和粘附界面(粘接失效)都發生了失效，而在PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層內部發生了明顯的粘接失效。因此，PVA水凝膠網絡的結合對于實現導電水凝膠和固體基質之間的牢固粘附至關重要。此外，PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層表現出優異的穩定性，在PBS緩沖液中浸泡14天后，界面韌性和界面疲勞閾值保持一致，與含水量和電導率不變一致。圖3|PEDOT：PSS/PVA水凝膠涂層的電化學穩定性研究評估了Pt基板上的PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層在多循環充放電處理過程中的電化學性能變化，模擬了通過那些生物醫學設備(如心臟起搏器)的電極進行長期電刺激時可逆電荷注入/排出的過程。對于通過自旋涂層制備的PEDOT: PSS涂層Pt電極，觀察到在10,000循環充放電過程中電化學性能逐漸惡化，導致電荷存儲能力(CSC)下降65%。這種惡化可歸因于疲勞引起的PEDOT:PSS涂層的結構解體和分層，因為重復的體積膨脹/收縮過程，正如PEDOT:PSS涂層的形貌變化所證明的那樣。相比之下，PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層的電化學性能在10,000循環充放電過程中保持穩定，CV曲線略有變化。1萬周期治療前后，CSC下降18%;界面形態保持不變。還進行了90度剝離試驗，以定量評估涂層界面堅固性的演變，結果顯示PEDOT:PSS/PVA涂層的界面韌性略有下降。此外，還發現了納米晶結構域的錨定可以有效地提高導電水凝膠涂層的力學和電化學穩定性，從而滿足植入生物電極的長期魯棒性和可靠性要求。圖4|Langendorff灌流心臟模型心臟起搏用導電聚合物水凝膠涂層電極 為了評估強導電性水凝膠涂層對心功能干擾的診斷和治療效果，采用Langendorff儀灌注大鼠心臟模型。為此，使用化學接枝技術將聚(丙烯酸- N -羥基丁二酰亞胺丙烯酸酯)(聚(AA-NHS))的粘合聚合物刷引入PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層上，以便將平面電極牢固地附著在潮濕的心臟表面上。然后將起搏探頭置于左心室，起搏電壓逐漸升高至0.7 V，直到成功捕獲，表明起搏和自主心率同步。廣泛證實，在長期電起搏過程中，導電水凝膠涂層的反復體積膨脹/收縮會導致疲勞裂紋形成和/甚至涂層分層，進一步惡化心電信號記錄和起搏效果。由于PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層與心臟組織之間具有機械柔韌的生物界面，以及水凝膠與金屬電極之間具有抗疲勞的界面，起搏閾值電壓保持不變。相反，由于界面分層和結構解體， PEDOT:PSS涂層Pt電極的起跳閾值電壓從0.6 V大幅增加到1.6 V，接近裸Pt電極的起跳閾值電壓。同樣，PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層的長期心臟起搏能力在灌注大鼠心臟模型10000周期起搏中得到證實，心電圖模式變化很小。相比之下，PEDOT:PSS水凝膠涂層的ECG信號逐漸惡化。這些發現進一步證明了導電水凝膠涂層的耐久性及其與心臟組織建立密切保形接觸的能力。圖5|導電聚合物水凝膠涂層生物電極體內治療房室傳導阻滯高級房室(AV)傳導阻滯對應于從心房到心室的沖動的中斷，因為心臟系統的功能損傷，這通常用電起搏來治療。在金屬電極上引入機械順應性和抗疲勞性導電水凝膠涂層有望緩解界面阻抗不匹配和宿主反應，并延長電起搏的長期可靠性。為了驗證用于心臟電起搏的PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層電極的潛力，使用全心臟大鼠模型進行了體內研究。證實了PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層Pt電極成功地為動物模型的起搏提供了心外膜刺激。移除電起搏導致心率和節律恢復到其原始狀態。此外，對主要器官(包括心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟)的進一步組織學分析顯示，使用該導電水凝膠涂層電極的體內起搏沒有引起副作用。類似于使用Langendorff裝置的體外模型研究，還測試了導電水凝膠涂層電極在PBS緩沖液中進行5000次循環充電/放電處理后的起搏功效，以加速導電水凝膠涂層和界面的老化。對于PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂覆的Pt電極，在重復充放電處理之前和之后，ECG特性表現出顯著的一致性，證實了抗疲勞PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層的優異穩定性。這些發現表明PEDOT:PSS/PVA水凝膠涂層成功地降低了起搏閾值電壓并增強了體內電刺激的功效。該研究提出了一種簡單而可靠的策略，通過將水凝膠納米結構粘合到固體基材上來設計具有抗疲勞導電水凝膠涂層的電極。由此產生的粘合接頭表現出高達 330 J m−2 的界面疲勞閾值。該研究的創新方法能夠在金屬生物電極上開發持久的水凝膠涂層，在生物組織和金屬電極之間提供機械順應性、導電性和生物相容性的界面。通過廣泛的離體和體內研究，證明了鉑電極上的抗疲勞導電水凝膠涂層可以有效降低起搏閾值電壓并增強心臟起搏的功效，而不會導致界面惡化。該研究的制造策略不僅為構建長期且穩健的組織生物電子學接口提供了實用的解決方案，而且還解決了植入生物電子學中長期存在的壽命挑戰。此外，該研究結果對生物電子設備的進步具有重要意義，并為未來改進生物醫學應用鋪平了道路。
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