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在电子设备与生物系统之间创建软接口对于神经植入物、健康监测设备和增强现实应用等领域非常重要。已经开发了许多软电子材料来实现这一目标。导电水凝胶作为一种材料备受关注，因为其力学性能与生物组织更接近，相比其他材料（如导电复合弹性体和金属渗透网络）。大多数导电水凝胶是通过在交联的非导电水凝胶骨架中加入导电填料（如金属纳米材料、石墨烯或导电聚合物）来制备的。由于其类似的力学特性和在生理环境中的高电导率，导电水凝胶可用于制作与生物组织接口的电极。导电水凝胶的电学和力学性能近年来有所改善，但它们在潮湿环境下仍然存在耐久性和可靠性差的问题。
来自韩国科学技术院的Taek-Soo Kim团队与来自首尔大学的Seung Hwan Ko团队合作展示了利用激光诱导的相分离和界面结构可以制备高稳定性的导电水凝胶，并将其粘附在各种基底上。通过这种方法，导电聚合物可以选择性地转化为湿导电水凝胶，其湿电导率可达到101.4 S cm-1，并可进行5 μm空间分辨率的图案化处理。这些导电水凝胶表现出高韧性，在经过1小时的超声处理和8个月的水中存储后仍保持其电化学性能。它们在潮湿条件下的剥离强度和剪切强度分别为64.4 Nm-1和62.1 kPa。本研究使用这些导电水凝胶制作了微电极阵列，可以在大鼠的大脑和心脏中稳定记录电生理信号长达3周。由于其耐用性，这些水凝胶电极也可以通过强力超声清洗后重复使用。相关工作以题为“Laser-induced wet stability and adhesion of pure conducting polymer hydrogels”的文章发表在2024年05月02日的国际顶级期刊《Nature Electronics》。
1. 创新型研究内容
本研究报道了一种激光诱导的过程，用于将纯PEDOT:PSS水凝胶稳定地粘附在聚合物基底上。得到的样品在湿润的生理环境中具有高导电性和柔软性。该过程允许以微米级分辨率对水凝胶进行图案化处理。使用连续波长为532纳米的激光诱发PEDOT:PSS与聚合物基底之间的选择性光热反应。激光在透明基底上扫描，并在微米厚度的PEDOT:PSS界面处被吸收，导致PEDOT:PSS发生部分相分离，并在界面上形成微观和纳米级别的嵌套结构。然后，将PEDOT:PSS浸泡在乙二醇（EG）中，这是一种常用于相分离的溶剂，可以增强PEDOT富集区域之间的相互连接。
【激光诱导下纯PEDOT:PSS在基底上的湿粘附】
为应用这种物理现象，将样品翻转，使透明的聚合物基底位于顶部（透射532纳米可见激光），而厚的PEDOT:PSS薄膜（干燥状态）位于底部。然后将激光照射到界面上（图1a(i)）。在激光照射之前，原始的PEDOT:PSS具有相分布，其核心部分是导电和疏水的PEDOT，而包围PEDOT的外壳是绝缘和亲水的PSS（图1a(i)，虚线框）。当PEDOT:PSS和聚合物基底被激光扫描时，如本研究团队之前的研究所报道的，会发生“相分离”。光热反应显著增强PEDOT富集区域之间的连接（图1a(ii)）。同时，聚合物基底和PEDOT:PSS之间浓集的热能产生机械锁定结构和点焊，从而大大增加界面结合强度（图1a(ii)，虚线框）。然后，将PEDOT:PSS浸泡在水中，以洗去未处理区域，这些区域由于周围可溶于水的PSS外壳而完全溶解。被激光扫描的部分由于相分离和机械锁定以及点焊引起的增强的结合强度而留在基底上（图1a(iii)）。然而，激光吸收的分布在PEDOT:PSS内部的深度方向上不均匀，因此远离界面的相分离程度较弱（图1a(iii)，虚线框）。这是由于PEDOT:PSS内部相对较厚的深度和热传递效率低下所导致的。因此，通过计算激光照射下的空间温度分布来间接估计PEDOT:PSS内部相分离的相对程度。由于光热能在界面处的浓集，最强的相分离发生在透明的聚合物基底的界面上，并且在厚度方向上变弱。足够的相分离可以达到PEDOT:PSS总厚度的72％，而其他地方可能发生不规则的部分相分离。
通过优化的激光处理和乙二醇后处理的组合，与传统的图案化技术（如丝网印刷和模具浇铸）相比，LIPSA制作的微图案纯PEDOT:PSS水凝胶在湿环境中表现出更强的稳定性（图1b、c）。图案化的水凝胶在湿环境中经过8个月后仍保持稳定，这归因于强化的PEDOT富集区域连接和多尺度界面结构（机械锁定和点焊），如扫描电子显微镜（SEM）图像所示（图1d）。LIPSA制造的纯PEDOT:PSS水凝胶在湿润条件下非常坚固和稳定；即使在湿润状态下被挤压出水，仍然能保持稳定的形状并与基底形成强大的结合（图1e）。另一方面，仅经过乙二醇处理的PEDOT:PSS水凝胶虽然坚固，但几乎立即被外部挤压力触发了界面失效。本研究的激光处理不仅限于特定的基底，而且可以广泛应用于用于可穿戴和植入式电子设备的基底，如PET、PI、TPU、SBS和SEBS（图1f、g）。作为示范，TPU基底上的微图案PEDOT:PSS水凝胶展示了强大的湿粘附性，可以承受各种类型的机械应力（手指摩擦、拉伸、扭曲、弯曲和揉皱）。
图1 激光诱导下纯PEDOT:PSS水凝胶在不同基底上的强湿稳定性和粘附性
【相分离及其对界面水的影响】
由于激光诱导的相分离，PEDOT:PSS水凝胶在干燥状态下的导电性从0.03增加到394 S cm-1。随后，通过乙二醇处理增强PEDOT的连通性，导电性进一步增加至543 S cm-1（图2a）。随着激光功率的增加，相分离现象变得更强烈，导致导电性增加。在最佳条件下的250 mW下，PEDOT:PSS水凝胶在完全膨胀状态下的导电性达到101.4 S cm-1。然而，在280 mW下，过高的激光能量使PEDOT:PSS碳化，导致导电性降低（图2b）。通过使用光学显微镜测量PEDOT:PSS水凝胶的厚度，可以确定其在湿润和干燥状态下的导电性。PEDOT:PSS水凝胶（250 mW）表现出优异的吸湿性，含水量达到81.6％，且呈现出各向异性膨胀。激光处理的最显著优势是具有高图案分辨率。使用Galvano镜扫描系统的LIPSA能够在完全膨胀状态下形成宽度为20微米、厚度为25微米（最高纵横比为1.25）的图案（图2c）。通过使用具有更紧密焦点的高倍率目镜系统，可以形成宽度为5微米、厚度为2微米的图案。
图2 相分离及其对界面水渗透的影响
【湿粘附力测量】
通过进行90°剥离和搭接剪切测试，本研究定量评估了LIPSA的强大湿粘附性能。作为对比，还测量了经过批量退火的PEDOT:PSS水凝胶的湿粘附性。剥离测试测量了在其中混合开裂模式（模式I）和滑动模式（模式II）的抗断裂能力，但在较高的剥离角度下，可以假设断裂模式为纯粹的模式I。搭接剪切测试测量了对纯粹的模式II断裂的抗力。图3a展示了90°剥离测试中用于测量PET和PEDOT:PSS水凝胶之间湿粘附性的设置和试样。由于膨胀的纯PEDOT:PSS水凝胶的低模量（小于15 MPa）和伸长率，它们不足以承受剥离力并容易撕裂。因此，试验是通过将附着在玻璃衬底上的PEDOT:PSS水凝胶的PET基底在水中剥离进行的，玻璃衬底上使用环氧胶粘剂固定。每个样品的代表性剥离强度通过将测量荷载的平均值（排除第一个峰值荷载）除以接触宽度来确定（图3b）。在第一个荷载峰值之后，由于施加了过大的力以打开裂缝，剥离力稳定并达到了一个平台。测量的剥离强度作为激光功率和批量退火温度的函数绘制出来（图3c）。图3d展示了搭接剪切测试中所使用的设置和试样。通过拉动附着在PEDOT:PSS水凝胶上的PET基底和透水尼龙膜滤器，测量了PET和PEDOT:PSS水凝胶之间的湿粘附性。使用移液器向试样中添加额外的水以保持其膨胀。尼龙膜滤器具有亲水性并与PEDOT:PSS水凝胶相容。其高刚度使其能够承受高负荷而不变形。搭接剪切强度是在失效瞬间的剪切应力，最大剪切应力被确定为每个试样的代表性剪切强度（图3e）。测量的搭接剪切强度也作为激光功率和批量退火温度的函数绘制出来（图3f）。模式I和模式II断裂的湿粘附强度具有相同的趋势（图3c、f）。对于批量退火的样品，随着退火温度的增加，湿粘附在低粘附水平上增加，100℃退火温度下平均为12.4 N m-1和14.3 kPa。随着LIPSA中激光功率的增加，湿粘附性显著增加，250 mW激光功率下平均为61.5 N m-1和56.0 kPa。最佳湿粘附性在250 mW时达到；当应用更高功率时，湿粘附性和导电性均迅速下降。
图3 激光诱导下导电聚合物的强湿粘附性
【湿稳定性表征】
本研究在湿润的生理环境中评估PEDOT:PSS水凝胶（LIPSA在250 mW下）的稳定性和电化学性能。在进行1小时超声处理测试和10,000次循环伏安法（CV）测试之前和之后，测量了CSC（比电荷存储容量）和阻抗的变化。超声处理测试可以评估电极的牢固结合，而高重复CV测试可以评估电极的长期稳定性。在经历1小时的超声冲击后，CSC和阻抗略微降低：超声前的CSC = 49.85 mC cm-2，超声后的CSC/超声前的CSC = 0.95，1 kHz处的阻抗为103.9 Ω，超声后的阻抗/超声前的阻抗为1.11（图4a，b）。经过10,000次CV测试后，CSC和阻抗仍然保持不变：第1个周期的CSC = 53.05 mC cm-2，第10,000个周期的CSC/第1个周期的CSC = 0.99，1 kHz处的阻抗为110.1 Ω，第10,000个周期的阻抗/第1个周期的阻抗 = 0.97（图4c，d）。然后，在模拟体内植入条件下，测试了在恶劣的生理环境中的高湿稳定性和可重复使用性。幸运的是，重复使用三次和五次的样品与从未重复使用过的新样品之间的结合强度差异可以忽略不计。阻抗和CV均得到良好维持（CSC0 = 50.04 mC cm-2，CSC5/CSC0 = 1.01，1 kHz处的阻抗为210 Ω，Z5/Z0 = 0.89），表面上没有显微剥离现象（附图22）。
本研究表征了PEDOT:PSS水凝胶电极的可拉伸性和弯曲稳定性。为极大地增强水凝胶电极的可拉伸性，将TPU基底切割成与PEDOT:PSS水凝胶完全相同结构的蛇形图案（图4e）。在90%应变下，微图案化的PEDOT:PSS水凝胶的相对电阻增加了10%，在湿润状态下，它即使在100%应变下也能牢固附着于基底上。在循环拉伸测试中，经过10,000次50%应变的循环后，相对电阻保持不变（图4f）。结果显示，即使在恶劣环境中，电化学和电学性能仍然保持稳定，使得这种材料适用于长期生物电子操作。
图4 PEDOT:PSS水凝胶的湿粘附性和稳定性
【生物电子应用】
为验证LIPSA是一种用于微图案生物电子学的有用制造工艺，本研究制备了能够长时间在体内记录电生理信号的高度稳定的水凝胶微电极阵列。傅里叶变换红外光谱分析证实，在清洗后PEDOT:PSS水凝胶中不存在潜在有害的EG残留物。然后，本研究制造了具有60μm线宽和120μm间距的高分辨率可植入神经探针（图5a）。16个PEDOT:PSS水凝胶微电极被图案化在具有相对硬的杨氏模量的PET基底上，便于插入大鼠的脑部。为了封装，薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层进行旋涂（图5a，插图）。然后，制造的柔性神经探针通过微连接器直接连接到商业信号采集系统（RHS Headstages，Intan Technologies）（图5b）。带有水凝胶微电极阵列的软性神经探针被轻柔地插入大鼠脑的体感皮层区域（图5b，插图）。高分辨率微电极阵列可以轻松记录的胞外动作电位通过我们的水凝胶神经探针以30 kHz的采样率进行记录。使用从300 Hz到7.5 kHz的高通滤波器来精确获取动作电位（60 Hz的陷波滤波器）。在每个通道上，使用四倍于均方根水平的相对阈值来检测尖峰。首先，记录了大鼠的各种状态下的动作电位（图5c）。在麻醉状态下，没有观察到明显的动作电位，但是当大鼠醒来时，定期检测到具有清晰尖峰的动作电位。此外，与自发的动作电位相比，机械刺激（用镊子夹住尾巴）下的电位显示出不规则且幅度较高。由于LIPSA制造的基于水凝胶的神经探针具有很高的稳健性和生物相容性，还进行了植入后3周的神经信号长期记录（图5d）。记录了自发的动作电位，并计算了每个数据流的信噪比（SNR）。SNR通过将尖峰的峰值幅度除以噪声水平的两倍均方根值进行计算。SNR在植入后保持稳定甚至增加，这是由于电极与脑组织的接触改善引起的愈合作用（图5e）。植入神经探针的电化学阻抗足够低，可以在记录3周后记录神经信号，表现出很高的耐久性（图5f）。
图5 生物电子应用
2. 总结与展望
本研究开发了一种激光诱导的相分离方法，可用于制备纯PEDOT:PSS导电水凝胶，该水凝胶具有高稳定性和对各种聚合物基底的强湿粘附性。PEDOT:PSS和聚合物基底被激光扫描，导致PEDOT:PSS发生部分相分离。界面处的热能浓集导致与基底形成机械锁定结构。经过EG的后处理，水凝胶进一步增强。得到的纯PEDOT:PSS水凝胶在湿条件下表现出优异的力学稳定性、粘附强度和电导率，包括高达101.4 S cm-1的电导率、64.4 N m-1的剥离强度和62.1 kPa的剪切强度。该过程可以使用选择性激光照射制作高分辨率的水凝胶图案。为展示该方法在制造图案化生物电子器件方面的潜力，制作了水凝胶微电极阵列，用于体内电生理记录，包括从大鼠大脑收集信号的高分辨率神经探针，以及用于监测大鼠心脏的高度可伸缩和可重复使用的心脏探针。本研究团队期望该激光加工方法能够应用于各种需要与生物系统软接口的应用，同时保证高电性能和空间分辨率。
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