導電聚合物兼具獨特的電學、力學性能及生物兼容性.作為界面材料有望實現長期穩(wěn)定高效的人機交互及融合。然而，當前導電聚合物與各類基底材料在人體環(huán)境中的粘附性能普遍較差，嚴重影響了生物電子器件的功能及壽命。近日，麻省理工學院趙選賀團隊提出了一種實現導電聚合物涂層與多種基底強力粘附的通用策略，該方法通過引入納米級親水性聚合物粘接層與導電聚合物形成分子互穿網絡，實現了粘結劑粘附性能與導電聚合物電學、力學性能的有效結合。這一策略操作簡單，成本低廉，與導電聚合物現有加工技術兼容性良好，并可與商業(yè)化生物電極集成用于開發(fā)堅韌導電聚合物生物電子界面。
人體與各種生物電子設備的交互和融合是現今科學技術發(fā)展的最前沿問題之一。長期穩(wěn)定高效的人機界面有可能帶來對人體和生命前所未有的理解；同時影響著我們每個人的健康、學習、工作、生活、社會安全；以及推動AI （通過理解人腦）、機器人 、大數據等各個領域的發(fā)展。導電聚合物及其水凝膠涂層兼具獨特的電學、力學性能及生物兼容性，作為界面材料有望實現長期穩(wěn)定高效的人機交互及完美融合（參見前期工作Chemical Society Reviews 2019, 48, 1642; Nature Communications 2019, 10, 1043）。然而，當前導電聚合物與各類基底材料在人體環(huán)境中的粘接性能普遍較差且不穩(wěn)定、容易脫落，嚴重影響了生物電子器件的功能及壽命。例如Neuralink公司總裁Elon Musk在其研究報告中明確指出：導電聚合物阻抗小，作為電極界面材料性能優(yōu)異，但其長期穩(wěn)定性尚需提高。因此，堅韌且長期穩(wěn)定的導電聚合物生物電子界面研發(fā)是當前人機交互融合的重大難題之一。
麻省理工學院機械工程系趙選賀教授團隊最新發(fā)表在Science Advances上的研究論文（Strong Adhesion of Wet Conducting Polymers on Diverse Substrates, Science Advances 2020, 6, eaay5394 ）報道了一種能夠實現導電聚合物涂層與多種基底長期堅韌粘附的方法。該方法先對各類基底進行氨基功能化預處理，再通過旋涂、噴涂和浸涂等方法將親水性聚氨酯（PU）涂附到基底上，形成納米粘接層；納米粘附層溶脹后可直接涂布導電聚合物水溶液（例如PEDOT:PSS等）或電化學聚合其單體溶液（如EDOT、吡咯、苯胺單體溶液等），在水性體系中形成聚合物分子互穿網絡，以期實現粘接層粘附性能與導電聚合物電學、力學性能的完美結合。具體設計原理見圖1。
圖1. 導電聚合物涂層強力粘附的設計原理
這種設計策略簡單有效，能夠實現水性體系中導電聚合物在多種基底材料上的強力粘附。粘附性能測試結果（圖2）表明含PU粘接層的PEDOT:PSS水凝膠在玻璃基板上表現出高剪切強度（> 120 kPa），而未經處理的對照樣品剪切強度非常低（0.08 kPa），很容易從基板上脫落。此外，PEDOT:PSS、聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PAni）等不同導電聚合物材料，涂布在含PU粘接層的氨基功能化玻璃基板后，其剪切強度均顯著高于對照樣品。值得注意的是，剪切試驗中導電聚合物材料均發(fā)生了內部力學破壞，這說明粘結界面強度要高于導電聚合物自身強度。此外，該方法還具有優(yōu)異的基底普適性，能夠實現硬/軟、絕緣/導電等多種基底的強力粘附，如玻璃(抗剪強度160 kPa)、聚酰亞胺(抗剪強度116 kPa)、PDMS(抗剪強度111 kPa)、ITO玻璃(抗剪強度149 kPa)和金(抗剪強度146 kPa)等。
圖2. 水性體系中導電聚合物在各種基材上的強力粘附
導電聚合物涂層強力粘附的長期穩(wěn)定性是各種生物電子器件功能及壽命的重要保障條件。通過長時間超聲測試發(fā)現，滴涂PEDOT:PSS薄膜在含PU粘接層基底上連續(xù)超聲10 min力學及電學性能無明顯變化，而在無PU粘接層ITO玻璃電極上PEDOT:PSS薄膜在PBS中超聲不足1 min即完全脫落。長期循環(huán)伏安掃描顯示，所制備的PEDOT:PSS強力粘附涂層具有可逆的氧化還原活性，掃描10000圈后無界面脫粘現象，電荷存儲能力降低小于6%，長期穩(wěn)定性優(yōu)異。同時，團隊發(fā)現這種強力粘附界面的設計策略同樣適用于電化學聚合法沉積導電聚合物涂層，且電沉積導電聚合物涂層在超聲或者長時間循環(huán)伏安掃面下力學、電學、電化學等性能的長期穩(wěn)定性優(yōu)異。
圖3. PEDOT:PSS水凝膠強力粘附的力學及電化學穩(wěn)定性
團隊成員進一步以商業(yè)化生物電極為例驗證了這種導電聚合物強力粘附界面設計的實用性及與現有產品的兼容性。電沉積 PEDOT:PSS能夠有效提高各種生物電極產品的電學性能，然而電沉積導電聚合物涂層在生理環(huán)境中的穩(wěn)定性差、易脫落等問題，極大地限制了其實際應用。研究團隊分別在商業(yè)化的高密度平面金電極和鉑神經電極表面成功利用電化學聚合制備了PEDOT:PSS堅韌粘附涂層，有效增強了商業(yè)化電極的電學性能，同時電極穩(wěn)定性優(yōu)異，超聲1小時不發(fā)生明顯力學降解。
圖4. 導電聚合物水下強力粘附用于商業(yè)化生物電極產品
本工作所報道的導電聚合物強力粘附生物電子界面的制備方法簡單、普適性強，且材料選擇范圍廣，如其他親水性聚合物（PVA等）也可用作粘接層，同時加工工藝與導電聚合物現有加工技術兼容性良好，可與商業(yè)化生物電極集成用于各類高性能生物電子器件或設備。
大家點評
斯坦福大學化學工程學院院長、美國國家工程院院士鮑哲南教授在接受MIT新聞采訪時對該工作評價說：“I think this is a great piece of work,” says Zhenan Bao, a professor of chemical engineering at Stanford University, who was not associated with this research. “Wet adhesives are already a big challenge. Conductive adhesives that work well in wet conditions are even more rare. They are very much needed for nerve interfaces and recording electrical signals from the heart or brain.” Bao says this work “is a major advancement in the bioelectronics field.”
MIT訪問學者、日本JSR株式會社Akihisa Inoue博士、MIT博士生 Hyunwoo Yuk以及江西科技師范大學盧寶陽教授為論文的共同作者，MIT終身教授趙選賀為通訊作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaay5394.full?from=groupmessage
盧寶陽教授就職于江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院，擔任常務副院長。入選江西省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項目、江西省主要學科學術與技術帶頭人、江西省杰出青年人才計劃、江西省百人遠航工程。曾獲中國青少年科技創(chuàng)新獎、江西省自然科學獎一等獎、江西省高校科技成果一等獎等多項科研獎勵。主持國基3項、省級重點項目等十余項。目前實驗室經費充裕，擁有年輕和諧的科研團隊，一流的公共科研平臺以及良好的工作氛圍。主要研究方向為：
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高性能導電聚合物合理設計；
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導電聚合物加工及器件化；
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動態(tài)表界面調控；
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導電聚合物在人機交互界面上的應用。
研究院目前擬全職引進材料類、化學類、電子類等相關學術背景的博士數名，待遇優(yōu)厚，有意者請將個人簡歷（pdf）發(fā)送至盧寶陽教授郵箱luby@mit.edu，郵件標題請注明“姓名+專業(yè)+畢業(yè)學校”。
MIT趙選賀團隊（http://zhao.mit.edu）專注推動軟材料和人機共融科技，最近的成果包括：
生物電子方向（Bioelectronics）
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定義水凝膠生物電子學（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)
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首次實現導電聚合物水凝膠和多種基底的堅韌粘附。
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首次提出純PEDOT:PSS高性能導電水凝膠機理、制備及圖案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019)
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首創(chuàng)可食用水凝膠電子并用來長期監(jiān)測核心體征 Nature Communications, 10， 493 (2019)
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首創(chuàng)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)
生物粘合方向 （bioadhesives）
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首次提出干燥交聯（dry-crosslinking）機理,用于粘合各種潮濕表面（wet adhesion）。發(fā)明人體雙面膠（tissue double-sided tape），能夠在5秒內粘合軟濕組織器官和植入設備，并保持長期堅韌、柔軟且生物兼容。Nature 575 (7781), 169-174 (2019)
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首次提出水凝膠抗疲勞粘結 （fatigue-resistant adhesion）的機理并實現與各種材料的抗疲勞粘結 Nat. Commun.,2020, https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3
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首次提出水凝膠超韌粘結 （tough adhesion）的機理并實現與各種材料的超韌粘結 Nature Materials 15, 190 (2016)
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首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer tough hybrid）并實現不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)
生物醫(yī)療機器人方向 （biorobots）
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首次提出3D打印鐵磁軟材料和軟機器 Nature, 558, 274 (2018)
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首創(chuàng)鐵磁軟體導絲機器人，并遙控巡航復雜血管網絡 Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)
生物電子方向（Bioelectronics）
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首次提出純PEDOT:PSS高性能導電水凝膠機理、制備及圖案化方法Nature Communications 10, 1043 (2019)
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首創(chuàng)可食用水凝膠電子并用來長期監(jiān)測核心體征 Nature Communications, 10， 493 (2019)
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首創(chuàng)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)
水凝膠方向 （hydrogels）
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提出抗疲勞水凝膠材料的設計原理，并首次實現超高抗疲勞斷裂（anti-fatigue-fracture）水凝膠材料 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)；PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)
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首次提出3D打印超韌超彈水凝膠的方法并打印各種載細胞的超韌超彈水凝膠結構 Advance Materials, 27, 4035 (2015)
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首創(chuàng)液壓水凝膠驅動器和機器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)
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首創(chuàng)超高拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)
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首次實現各種醫(yī)療儀器上的超韌水凝膠涂層 Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)
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首創(chuàng)并3D打印可拉伸生命器件 （stretchable living devices）PNAS, 114, 2200 (2017)；Advanced Materials, 1704821 (2017)
失穩(wěn)方向 （Instabilities）
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首次應用力學失穩(wěn)得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)
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首次提出可重復折疊大面積石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)
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首次發(fā)現并解釋電致褶皺（electro-creasing）和電致空穴（electro-cavitation）現象 Physical Review Letters, 106, 118301 (2011)；Nature Communications, 3, 1157 (2012).
綜述
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定義水凝膠機器 (hydrogel machines) Materials Today (2020)
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定義水凝膠生物電子學（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)
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系統闡述水凝膠增強 （high strength）的機理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)
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系統闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機理 Soft Matter, 10, 672 (2014)
