轻松记录脑和心脏信号

在生物电子学和生物医学工程领域，创建与生物组织相兼容的软界面对于多种应用至关重要，例如神经植入物、健康监测设备和增强现实应用。导电水凝胶因其接近生物组织的机械特性和在生理环境中的高电导率而成为研究的热点。然而，现有的导电水凝胶在湿环境下的耐久性和可靠性较差，尤其是它们容易从基材上剥离，这限制了它们在实际临床应用中的长期稳定性。

近日，首尔国立大学Seung Hwan Ko与韩国科学技术院Taek-Soo Kim团队成员们合作研发出一种高稳定性的导电水凝胶，这些水凝胶通过激光诱导的相分离和界面结构形成，具有高稳定性和在湿环境下对各种基材的强粘附力。以“Laser-induced wet stability and adhesion of pure conducting polymer hydrogels”为题发表相关工作发表在《Nature Electronics》。

由聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)组成的导电水凝胶，具有高导电性、柔软性和电化学稳定性，因此已被广泛研究。然而，使用这种软性导电聚合物水凝胶的电子器件在潮湿环境中容易因界面水的渗透而与基底分层，最终导致器件失效，因此其短期运行受到限制。为此，人们分别提出使用纯导电聚合物（不含非导电支撑骨架）、增加基材表面粗糙度和引入薄粘合层等方法，但是它们分别存在界面分层问题、不适合软质基底和降低导电性等缺点。此外，要了解大脑和心脏等生物系统的协调电生理信号，需要同时记录许多微米大小的细胞。因此，还需要开发软传导水凝胶的高分辨率图案技术，以便在生物系统的有限尺寸内产生多个高密度阵列记录点。

本文使用532 nm连续波激光诱导PEDOT:PSS和聚合物基底之间发生选择性光热反应。激光通过透明基底扫描，在微米厚的PEDOT:PSS界面被吸收，导致PEDOT:PSS部分相分离，并在界面上形成微米级和纳米级交错。随后，PEDOT:PSS被浸入乙二醇（EG）中，加强富含PEDOT的结构域之间的相互连接。这种激光工艺不仅限于特定的基板，而且可以广泛应用于普遍用于可磨损和可植入电子器件的基板，如PET、PI、TPU、SBS和SEBS。微图型PEDOT:PSS水凝胶在TPU基板上表现出强大的湿黏附力，并承受各种类型的机械应力(手指重复摩擦、拉伸、扭转、弯曲和揉皱)。

图1 激光诱导的纯PEDOT:PSS水凝胶在不同衬底上具有较强的湿稳定性和黏附性

制备具有高导电性和在湿状态下与基材紧密结合的PEDOT:PSS水凝胶面临着巨大的挑战。使用交联聚合物来改善与基板的结合强度会导致电性能降低，因为这些聚合物是绝缘体。相比之下，具有表面处理附着力层的纯PEDOT:PSS显示出优越的湿附着力和优良的湿态电导率。通过激光诱导相分离技术(LIPSA)制备的水凝胶具有优异的湿传导性(101 S/cm)和优异的湿黏附性(57 kPa)，以及高图案分辨率(5 μm)，是面对这些挑战的较为有前景的解决方案。

图2 PEDOT:PSS水凝胶的湿粘附和稳定性

将带有水凝胶微电极阵列的软神经探针轻轻地插入老鼠大脑的体感皮层区域。麻醉状态下未检测到可观察到的动作电位，但在大鼠清醒时周期性检测到具有清晰棘突的动作电位。此外，与自发动作电位相比，机械刺激(镊子夹尾)下的电位表现出不规则的高振幅。并且植入的神经探针的电化学阻抗在3周后足够低，仍然可以记录神经信号，具备了高耐久性。由于LIPSA可以很容易地修改PEDOT:PSS水凝胶的几何形状，设计了应变不敏感、高度可拉伸的水凝胶微电极阵列，以动态记录心脏跳动信号。在体内记录心外膜信号后，取出电极阵列，沾有血液和蛋白质很难用流动的水清洗干净。在超声浴中清洗电极阵列30 s后，电极阵列表面清洁，外观坚固。将设备连接到相同的大鼠，并比较信号质量的差异。心外膜信号波形和信噪比在第一次使用和第二次使用之间的变化可以忽略不计。同时检测了超声前后的电化学阻抗，结果无明显差异。

图3 生物电子应用

全文总结

这篇文章介绍了一种创新的方法，通过激光诱导相分离技术（LIPSA）制造出高稳定性、高导电性的纯PEDOT:PSS水凝胶，并实现在湿环境下对多种基材的强粘附。这些水凝胶在湿润条件下展现了优异的机械稳定性、粘附强度和电导率，包括高达101.4 S/cm的电导率、64.4 N/m的剥离强度和62.1 kPa的剪切强度。此外，研究人员还展示了利用这些水凝胶制造的微电极阵列，这些阵列能够在大鼠大脑和心脏中稳定记录电生理信号，并且具有可重复使用性。该技术有望应用于需要与生物系统柔软接触并确保高电学性能和空间分辨率的各种应用中。

来源：BioMed科技

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