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生物相容的导电高分子聚合物水凝胶应用于镁空气电池

导电高分子材料因其优越的生物相容性和电学性能而广泛地用于仿生研究中。相对于传统的金属电极,它的出现给仿生电材料带来了极大的变革。而水凝胶则是一种柔软的、多孔结构的、富含水分的不导电材料。因其界面性质与人体的一些软组织相匹配,尤其其柔软的机械性能可以减少摩擦对组织所造成的刺激和创伤,所以在组织修复再生、药物释放、生物传感器等生物领域颇受欢迎。


导电高分子聚合物水凝胶作为一种新型水凝胶,继承了传统生物水凝胶的3D结构和生物相容性的优点,同时克服了其电化学活性惰性的缺点,极其适合用于智能生物电子设备、可植入性装置中。已报道的导电水凝胶的制备多为将导电聚合物(聚吡咯,聚噻吩等)化学沉积到一个不导电的生物相容性的骨架上。这些骨架的加入影响了导电聚合物的电化学活性,使其很难作为储能型电极材料使用。导电高分子聚合物水凝胶在能源和生物领域的交叉应用尚未见报道。近日,澳洲卧龙岗大学(Univeristy of Wollongong)Wallace教授课题组研制了一种新型的导电高分子聚合物水凝胶,兼具用于生物和能源储存的性能。


博士生余长春Gordon教授(Australian Research Council Laureate Fellow)王彩云博士的指导下,采用二次交联法以及电沉积方法制备出的聚吡咯/聚噻吩(PPy/PEDOT)水凝胶。作者先采用低浓度的Mg2+将PEDOT溶液进行部分和均匀交联,再用高浓度的Mg2+进行二次交联,充分地完成整个离子交联过程。这种方法克服了直接用高浓度Mg2+溶液进行交联易形成的不均匀的局部团聚。作者将PPy电沉积在PEDOT水凝胶上来增加水凝胶的电化学活性和改变其机械强度。整个制备过程如图1B所示, 该方法简单快捷,易于制备成各种形状并适用于较大规模的制备。水凝胶的截面呈现相互连接贯通的交叉网状结构如图1C所示。根据热重分析,水凝胶的含水量在97%左右(图1E)。

图1 A)PPy/PEDOT 水凝胶交联过程;B)水凝胶制备示意图;C)和D)分别为块状水凝胶SEM照片和数码照片E)PPy沉积前后水凝胶的热重分析图


该水凝胶首次应用于培养脂肪干细胞(图2所示),其可以支撑细胞长达21天的生长。根据电镜图可以看到细胞呈现典型的纺锤状并且横跨过水凝胶的多孔表面。由该水凝胶,镁阳极以及PBS电解液组成的电池可为可穿戴设备提供足够的能量。在放电电流密度为200 µA/cm2时, 该组装的镁空电池容量约为32 mAh cm-2, 能量密度大约为22 mWh cm-2(图2E所示)。一般的植入医学装置所需要的功率在µW 到mW范围内,该电极组装的电池能够驱动这类装置。

图2 A) 脂肪干细胞在水凝胶上的荧光图;B)和C) 肪干细胞在水凝胶上的SEM 图;D) 21天细胞生长曲线  E) 3D结构的水凝胶电极和2D的PPy电极组装的电池放电图


更为重要的是作者通过调控电沉积的PPy的量来控制水凝胶的电活性性能和机械强度(Young’ modulus 7~32 kPa),使其匹配不同的人体组织(如脂肪组织,神经组织等等),适用于不同的生物组织界面。该水凝胶的阻抗在 1赫兹到105赫兹频率范围下相比于传统的金属电极低3个数量级以上,有利于电荷转移以及记录调控组织的电信号,作为植入设备的电极将消耗更低的能量。这种材料由于其低阻抗的优点可作为生物电极用于细胞电刺激,而且组装的生物相容性电池以期望进一步用于调控细胞新陈代谢,刺激组织再生,驱动可植入可穿戴设备等更广泛的用途。


这一成果近期发表在Advanced Materials上。


该论文作者为:Changchun Yu, Caiyun Wang, Xiao Liu, Xiaoteng Jia, Sina Naficy, Kewei Shu, Maria Forsyth, Gordon G. Wallace

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A Cytocompatible Robust Hybrid Conducting Polymer Hydrogel for Use in a Magnesium Battery

Adv. Mater., 2016,  28, 9349-9355, DOI: 10.1002/adma.201601755


导师介绍

Gordon G. Wallace

http://ipri.uow.edu.au/people/UOW001346.html

Caiyun Wang

http://ipri.uow.edu.au/people/UOW067116.html


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