![图片]()
随着生物医学技术的快速发展，导电水凝胶因其独特的机械性能、生物相容性和电学特性，逐渐成为生物电子界面应用中的热门材料。然而，现有的导电水凝胶在实际应用中面临诸多挑战：一方面，增强其电化学性能往往会影响其力学性能和生物相容性，难以在结构整合与信号传输稳定性之间取得平衡；另一方面，传统制造方法（如滴铸和模塑）限制了水凝胶的形状和结构多样性，难以满足复杂应用需求。因此，
开发一种兼具高电导性、低模量、拉伸性、生物相容性和可加工性的多功能导电水凝胶，对于构建可靠的生物电子界面至关重要。
本期，EFL以发表在
《Advanced Functional Materials》
上的
“Tailoring Stretchable, Biocompatible, and 3D Printable Properties of Carbon-Based Conductive Hydrogel forBioelectronic Interface Applications”
研究为例，解析
如何用聚醚F127二丙烯酸酯（F127DA）制备3D打印、光交联的碳基导电纳米复合水凝胶（FPCH）？
![图片]()
为什么选择F127DA制备碳基导电纳米复合水凝胶？
在制备碳基导电纳米复合水凝胶时，选择F127DA（聚醚F127二丙烯酸酯）作为基质材料，是因为其具有独特的结构和功能特性。
F127DA是一种含有光敏丙烯酸酯基团的嵌段共聚物，能够通过紫外线诱导的光交联形成柔性网络，为水凝胶提供机械支撑和形状稳定性。同时，其分子链中的亲水性和疏水性段能够与碳纳米管（SWCNT）和PEDOT:PSS等导电填料形成氢键和疏水相互作用，增强填料的分散性和界面结合力，从而提高水凝胶的电导性和力学性能。
此外，F127DA的生物相容性也使其成为理想的基质材料，能够满足生物电子界面应用的需求。
首先，将单壁碳纳米管（SWCNT）与PEDOT:PSS溶液混合，通过超声分散形成均匀的复合纳米纤维悬浮液，随后经过冷冻干燥处理得到纳米纤维。接着，将这些纳米纤维重新分散到含有光引发剂的F127DA溶液中，通过低温搅拌实现均匀混合，形成导电纳米复合墨水。最后，将这种墨水通过光固化技术（405 nm紫外光照射）进行交联固化，形成具有高导电性、低模量、拉伸性和生物相容性的碳基导电纳米复合水凝胶。
（本文所用F127DA型号为EFL-F127DA-001，405nm 光源型号为EFL-LS-1601-405详询文末区域销售）
如图1所示，通过调整成分比例，
FPCH实现了低模量（最低可达90 kPa）和高拉伸性（最高达520%应变），使其在保持柔软性的同时能够承受大幅度形变。
此外，FPCH在拉伸过程中表现出良好的弹性恢复能力，能够多次重复拉伸至100%应变而不断裂，且具有低滞后效应。这种独特的力学性能使其
能够与人体组织（如肌肉、皮肤、大脑）紧密贴合，形成稳定的界面，适用于生物电子接口和可穿戴设备等应用。
如图1（i-k）所示，FPCH电极在1 kHz频率下的
阻抗仅为约31 Ω，显著低于传统碳布电极，确保了在生理环境中稳定且高效的电生理信号记录。
循环伏安（CV）曲线显示，FPCH电极在0.1 M PBS溶液中具有较高的电荷存储容量（CSC，1.21 mC/cm²），且
在1000次循环后电化学性能几乎无衰减，表现出良好的电化学稳定性
。
进一步揭示了FPCH电极的高电荷注入容量（CIC，668.4 μC/cm²），这一特性使其在低电压下能够高效地进行电刺激，显著提升了生物电子界面的电刺激性能。这些结果表明，
FPCH在电化学稳定性、电荷存储能力和电刺激效率方面均展现出卓越的性能，
为生物电子应用提供了可靠的材料基础。
如图2所示，FPCH表现出优异的剪切变稀行为，使其在打印过程中能够顺利挤出并在挤出后迅速恢复凝胶状，保持结构稳定性。通过调节SWCNT和PEDOT:PSS的含量，FPCH的流变性能和屈服应力可灵活调整，从而优化打印性能。此外，其快速光交联特性可将液态墨水迅速固化为稳定结构，确保打印精度和功能。这些特性使FPCH
在3D打印领域展现出极高的应用潜力，适用于制造生物电子界面、柔性传感器和植入式设备等多种复杂结构。
如图3所示，体外实验中，FPCH对小鼠海马神经细胞（HT22）的增殖和粘附表现出良好的支持性，尽管其表面特性限制了细胞的过度生长。体内实验进一步验证了FPCH的优越性能：在大鼠皮下植入14天后，FPCH引起的炎症反应显著低于传统金电极，在大脑皮层植入实验中，FPCH植入区域的脑组织结构保持完整，未出现明显的组织塌陷或免疫细胞激活，
表明其对神经组织具有高度的生物相容性。
这些结果充分证明了FPCH作为生物电子界面材料在体内应用的安全性和可靠性，为后续的生物医学应用奠定了坚实基础。
如图4所示，FPCH作为一种高性能的皮肤表面电极，能够准确捕捉心电图（ECG）和肌电图（EMG）信号，其信号质量与商业电极相当，
且由于其低阻抗和贴合性，能够实现更高的信噪比和信号保真度。
此外，FPCH还具备出色的应变传感能力，能够监测吞咽、手指弯曲和膝盖弯曲等复杂运动，表现出良好的灵敏度和稳定性。同时，FPCH还具有湿度感应功能，能够在25%到90%的相对湿度范围内实现稳定的信号响应，适用于呼吸监测等应用。这些特性表明，FPCH作为一种“电子皮肤纹身”，
不仅能够实现多种传感功能，还具备高灵敏度、高稳定性和良好的穿戴舒适性
，
为可穿戴电子设备的设计和应用提供了新的材料选择。
如图5所示，FPCH在体内神经刺激实验中表现出极低的刺激阈值（仅需50 mV即可引发肢体运动），显著低于传统金属电极和其他导电凝胶，这使其在神经刺激和康复治疗中具有巨大潜力。其次，
通过3D打印技术制造的16通道FPCH电极能够实现高质量的脑电图（ECoG）信号监测，其信噪比（SNR）比商业聚酰亚胺（PI）电极高出1.8倍，表现出优异的信号稳定性和抗干扰能力。
此外，FPCH电极的低模量使其能够与大脑皮层紧密贴合，减少因微运动导致的信号失真，从而实现长期稳定的电生理信号记录。这些结果表明，
FPCH在生物电子界面应用中不仅具备高效的电刺激和信号监测能力，还能够与生物组织形成稳定的界面，为神经科学研究和临床应用提供了高性能的材料解决方案。
本文开发了一种基于PEDOT:PSS、F127DA和单壁碳纳米管（SWCNT）的碳基导电纳米复合水凝胶（FPCH），用于生物电子界面应用。
FPCH通过优化成分比例，实现了低模量（最低90 kPa）、高拉伸性（最高520%应变）、高导电性（440 S/m）以及良好的生物相容性。
其光交联特性和3D打印性能使其能够快速固化并形成复杂结构，无需复杂后处理。实验表明，FPCH在应变传感、湿度监测、热补偿以及体内神经刺激和电生理信号监测中表现出优异的性能，展现出在可穿戴设备和生物医学植入物中的广泛应用潜力。
https://doi.org/10.1002/adfm.20241855
