Nature Materials：3D打印水凝胶！

导电水凝胶由于其与生物组织相似性（高含水量、柔软性）和导电性的独特组合，已成为生物电子界面传统金属电极的潜在替代品。而基于导电聚合物的导电水凝胶与基于离子盐、金属或碳纳米材料的其他导电水凝胶相比显示出一组明显的优点——生理环境中的更加稳定、更优异的生物相容性和更少的潜在副作用。

尽管最近在仿生物组织机械性能的坚韧水凝胶方面取得了进展，但机械性能差的问题在导电聚合物水凝胶开发中仍有待克服。现有的坚韧导电聚合物水凝胶，通常通过在坚韧水凝胶基质中混合导电聚合物来制备，显示出低电导率的特性，这是由于水凝胶中电相的低连接性导致。通过增加导电聚合物含量来实现高电导率，这从本质上影响了水凝胶的机械性能，限制了它们作为生物电子界面的用途。此外，许多现有的导电聚合物水凝胶不适用于先进制造技术，如3D打印，这使得它们的临床转化与商业价值大打折扣。

近日，麻省理工学院赵选贺与江西科技师范大学柔性电子创新研究所卢宝阳教授合作，在Nature Materials上发表了一项关于柔性电子水凝胶的工作。作者团队报告了一种连续导电聚合物水凝胶，同时在生理环境中实现了高导电性、拉伸性和韧性，并且易适用于包括3D打印在内的多种先进制造方案。在这些特性的支持下，作者团队进一步展示了单片水凝胶生物电子界面的3D打印，与大鼠模型中各种器官中的长期电生理刺激和数据记录。
BC-CPH相分离合成：

通过在室温蒸发溶剂，然后在生理环境中平衡，可以容易地制备BC-CPH。选择PEDOT:PSS作为导电相，选择溶解了亲水性聚氨酯的水和乙醇混合溶剂作为机械相。在溶剂蒸发过程中，BC-CPH油墨相分离导致机械相和导电相压实形成双连续相。相反，在导电聚合物水凝胶中常作为机械相的亲水性聚合物因为可溶于水，导致导电聚合物相在聚合物溶液中均匀分散，而机械相和电相之间没有发生相分离。因此，所得的导电聚合物水凝胶显示出较差的连接性（在低导电聚合物浓度下）或聚集（在高导电聚合物浓度时）导电聚合物相。

PEDOT:PSS浓度的最佳范围（20–30 w/w%）提供机械相和导电相的双连续性，同时实现高电导率和可拉伸性。BC-CPH在200%应变下表现出完全可恢复的弹性变形，并保持双连续相。此外，具有PEDOT：PSS浓度最佳范围的BC-CPH在也显示出更高的韧性。BC-CPH韧性的显著增强可能源于拉伸性较低的PEDOT：PSS相充当机械消散剂，而高度可拉伸的亲水性聚氨酯相保持BC-CPH的完整性和弹性。
电气性能与稳定性：

BC-CPH可以提供优异的电学和电化学性能，即使在超过5000次100%拉伸应变循环后仍能维持的高电导率（超过11 S/cm），低阻抗，比Pt电极高20倍以上的高电荷存储容量（CSC）和Pt电极3倍以上的高电荷注入容量。BC-CPH显示出电子和离子导电性，其中电子导电性的贡献更大。BC-CPH在10000次充电和放电循环中仍保持良好的电气和机械性能。在超过1 M双相电荷注入，超180天的PBS自然降解和超过28天PBS酶解中也可以保持其电气与机械性能。值得注意的是，BC-CPH在高达50%的中等应变下显示出应变不敏感电阻，这可能是由于变形状态下电相的动态聚集和排列。
多先进制造方案适配：

BC-CPH的设计允许用粘性油墨进行简单而容易的制造，这适用于各种制造方法。BC-CPH油墨的粘度可以通过控制溶剂的量（70 v/v%乙醇和30 v/v%水）而调控。值得注意的是，机械相和导电相的油墨相分离以及随后溶剂蒸发驱动的压实成双连续相，使得由不同粘度的油墨制备的BC-CPH能够保持一致的电气和机械性能。低粘度BC-CPH油墨可用于各种制造方法，包括旋涂和静电纺丝。高粘度BC-CPH油墨作为一种可成型和可打印材料显示出良好的流变性能，允许通过基于软光刻的微成型来制造BC-CPH微结构以及3D打印。
全水凝胶生物电子界面：

利用BC-CPH对多材料3D打印的适用性，作者团队展示了对应全水凝胶生物电子界面的打印制造。结合可打印的生物粘合剂和水凝胶油墨，BC-CPH使基于多材料打印的全水凝胶生物电子界面的制造成为可能，其柔软度和含水量都与组织相似。由于BC-CPH和组成水凝胶的高拉伸性，水凝胶生物电子界面可以承受超过150%的应变而不会出现故障。全水凝胶生物电子界面中的生物粘合剂进一步为目标组织提供了快速、坚固和无缝的整合。粘附界面也可以根据需要通过应用分离溶液从靶组织中无创伤地分离，而不会造成组织损伤。全水凝胶生物电子界面在5%拉伸应变的10000次循环中保持稳定的单电极阻抗，约为20 kΩ。这对于动态生理环境中的生物电子接口非常有利。
体内电生理刺激和记录：

通过全水凝胶生物电子界面对大鼠心脏进行电生理记录和刺激大鼠坐骨神经与脊髓，来证明其长期的体内生物电子接口能力。多材料3D打印允许灵活选择设计和快速制造各种靶器官的全水凝胶生物电子界面。全水凝胶生物电子界面中BC-CPH电极的良好电性能提供了大鼠心脏的体内电生理记录。有效实现了坐骨神经刺激（引发后肢运动）和大鼠脊髓刺激（前肢运动）。
全水凝胶生物电子界面生物相容性：

在生理环境中与组织物理性质形似，全水凝胶生物电子界面显示出与目标组织的稳定接合，长期体内植入超过2个月未出现明显排异反应。组织学分析表明，全水凝胶生物电子界面对靶组织引起非常轻微的炎症。全水凝胶生物电子界面周围的纤维化组织明显比聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装的器件周围的纤维化组织薄，并且与对照组相当。进一步对各种标志物进行免疫荧光分析，以评估组织损伤。在大鼠坐骨神经上植入后的第7、28和56天，所有水凝胶生物电子界面引发，包括神经、成纤维细胞、巨噬细胞，胶原蛋白和T细胞的表达均与假手术组相当。在良好的体内生物相容性和稳定性的推动下，全水凝胶生物电子界面可以提供长期稳定的大鼠心脏电生理记录和坐骨神经刺激。全水凝胶生物电子界面的组织样特性、无创伤生物粘附整合和由此产生的有利组织相互作用可能促进了长期电生理功效的增强。
小结：

在这里，作者团队报告了一种双连续导电聚合物水凝胶（BC-CPH），通过实现高导电性而不牺牲其机械性能来克服这些挑战。BC-CPH可以很容易地由导电相（PEDOT：PSS）和机械相（亲水性聚氨酯）组成的相分离油墨制备。适配各种先进的制造策略，包括旋涂和静电纺丝（低粘度油墨）以及微成型和3D打印（高粘度油墨）。由此产生的BC-CPH同时实现高导电性（超过 11 S/cm）、拉伸性（超过 400%）、韧性（超过 3300 J/m2）、生理环境中的含水量（∼80%）和组织状柔软度（杨氏模量低于1 MPa）。

通过解决导电水凝胶中挥之不去的挑战，BC-CPH为组织样生物电子界面提供了一种有前途的材料。借助BC-CPH的独特优势，3D打印制备了单片全水凝胶生物电子界面，能够长期高效电生理刺激并记录大鼠模型中的各种组织和器官生理信号。这项工作不仅可以为水凝胶生物电子的愿景提供一个通用的工具和平台，以实现机器和生物系统之间更好的电接口，还可以为导电聚合物水凝胶在组织工程和再生医学中提供的更广泛应用。

参考文献：
Tao Zhou, Hyunwoo Yuk, Faqi Hu, et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces. Nat Mater. 2023 Jun 15.
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01569-2