Sci Adv：用于高性能电子植入物的柔软、可拉伸的导电水凝胶

第一作者：Md Saifur Rahman

通讯作者：Limei Tian

通讯单位：得克萨斯农工大学

DOI: 10.1126/sciadv.ads4415

电子植入物被广泛用于诊断和治疗各种疾病，如癫痫和帕金森病，并建立脑机接口，寻求恢复失去的运动和感觉功能。这些植入式设备中的电极在实现高质量的电生理记录和有效的电刺激方面发挥着至关重要的作用，而不会对生物系统产生不利影响。现有的可植入电极主要依赖于具有高杨氏模量的导电材料，如铂（Pt）和硅。刚性材料-组织界面之间的机械差异会导致免疫反应增强和慢性组织炎症。因此，在导电表面上生长的瘢痕组织降低了电信号记录质量（例如信噪比）和刺激效果。在高性能电子植入式设备中，开发生物相容性导电材料仍然具有挑战性，这些材料具有与组织匹配的机械性能，杨氏模量范围为1 kPa至1 MPa，具有高拉伸性，以及高电导率和电荷注入能力。

为了应对这一挑战，已经开发出导电水凝胶（CH），为电子植入物提供类似组织的机械性能和电子和离子双重导电性。各种固有导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺、聚（3,4-乙撑二氧噻吩），已被用于基于水凝胶的生物电子学。在这些聚合物中，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）因其可调的电性能、良好的溶液加工性、生物相容性和光学透明度而特别有吸引力。各种添加剂，包括二甲亚砜（DMSO）、乙二醇、离子液体和硫酸，已被用于通过诱导导电和疏水部分PEDOT与绝缘和亲水PSS之间的相分离来提高PEDOT:PSS的电导率。例如，用浓硫酸获得的PEDOT:PSS水凝胶在pH 1水溶液中测得的电导率为8.8 S/cm。用DMSO和离子液体制备的PEDOT:PSS水凝胶在水中显示出40至50 S/cm的高电导率。然而，这些添加剂会对生物体产生各种不利影响，需要彻底清除。激光诱导PEDOT:PSS水凝胶也被开发出来，以实现高电导率并消除添加剂的使用。然而，所得水凝胶的杨氏模量高于50 MPa，断裂应变约为15%。机械性能与包括皮肤、脊髓和外周神经在内的生物组织的机械性能不匹配，在常规身体运动中，这些组织可能会经历高达30%的拉伸应变。

1. 本工作介绍了一种营养甜味剂d-山梨醇，作为一种无毒添加剂，用于制造柔软且可拉伸的PEDOT:PSS导电水凝胶。这些水凝胶表现出与生物组织相当的机械性能，减少了不良的免疫反应。

2. 水凝胶可以使用简单、低成本的微成型技术在弹性基底上图案化，以制造柔软、可拉伸的可植入装置，用于电刺激和记录。与铂电极相比，水凝胶电极显示出更低的电化学阻抗和更高的电荷存储和注入容量。

3. 水凝胶和器件的性能在长期储存和暴露于极端条件下后保持稳定。

图1. CH设计和图案。

（A） 用PEDOT:PSS水溶液和d-山梨醇制备PEDOT:PPS干膜，并在各向异性溶胀后将干膜转化为稳定的CH的示意图。（B） 使用微成型方法在PDMS薄膜上图案化CH的图示。（C）包裹在玻璃棒上的CH网状电极阵列和（D）单个电极的光学图像。（E） 用激光切割Parafilm图案化的PDMS薄膜上CH线的光学图像。

图2. PEDOT:PSS干膜和溶胀特性。

（A） 原始PEDOT:PSS干膜的AFM形貌图像和（B）用3%（w/v）d-山梨糖醇获得的膜。（C） PEDOT:PSS干膜的横截面SEM图像[3%（w/v）d-山梨醇]。（D） PDMS基板上PEDOT:PSS干膜和CH的横截面光学图像。（E） CH的可逆各向异性膨胀（n=3）。（F） 不同d-山梨醇浓度的水和PBS中的CH溶胀比（n=3）。所有错误条表示SD。

图3. 机械和电气特性。

（A） 不同d-山梨醇浓度下PBS中独立CH的拉伸应力-应变曲线。（B） CH拉伸模量和（C）压缩模量与水和PBS中d-山梨醇浓度的关系（n=3）。（D） 不同D-山梨醇浓度的水和PBS中的CH电导率（n=3）。（E） 原始PEDOT:PSS薄膜和用3%（w/v）d-山梨醇制备的薄膜的XRD图。a.u.，任意单位。（F） 不同菌株在水中和PBS中的CH电导率（n=3）。所有错误条表示SD。

图4. 3%（w/v）d-山梨醇CH在PBS中的电化学表征。

（A） 用不同扫描速率记录的CH和Pt电极的CV曲线。（B） 不同扫描速率的CH和Pt电极的CSC（n=3）。（C） CH曲线具有100 mV/s的扫描速率和增加的周期。（D） CH和Pt电极的电压瞬态曲线和（E）相应的电流脉冲。（F） 高压釜前后CH和Pt电极的CIC（n=3）。（G） CH和Pt电极随频率变化的阻抗幅度和（H）相位角图。（I） 高压釜前后CH电极的阻抗大小。所有错误条表示SD。

图5. 生物相容性和大鼠运动学分析。

（A） 植入9周后，与CH和Pt电极接触的坐骨神经的H&E染色横截面切片与对照切片进行比较。（B） 坐骨神经横截面切片的免疫荧光图像，ED1标记为红色，DAPI标记为蓝色。（C） 使用对照的CH和Pt电极的标记ED1的归一化平均荧光强度。ED1强度比较的P值如下：Pt电极与对照，P=0.553×10 ⁻⁵ ；CH电极与对照组，P=0.055，CH与Pt电极，P=0.799×10 ⁻⁸ （n=4）。（D） 坐骨神经横截面切片的免疫荧光图像，NF标记为绿色，DAPI标记为蓝色。（E） 使用对照的CH和Pt电极的标记NF的归一化平均荧光强度。比较NF强度的P值如下：Pt电极与对照，P=0.327×10 ⁻⁴ ；CH电极与对照组，P=0.077，CH与Pt电极，P=0.670×10 ⁻⁴ （n=4）。（F） 用于运动学分析的后肢运动代表性棒图。（G） 与对照组相比，使用CH和Pt电极的大鼠的踝关节和膝关节平移。踝关节平移比较的P值如下：Pt电极与对照组，P=0.001，CH电极与对照，P=0.368，CH与Pt电极，P=0.006。膝关节平移比较的P值如下：Pt电极与对照组，P=0.656×10 ⁻⁶ ，CH电极与对照，P=0.842，CH与Pt电极，P=0.218×10 ⁻⁷ （n=10）。所有误差条表示SD，NS表示不重要**P≤0.01***P≤0.001****P≤0.0001。

图6. 体内神经刺激和同步CMAP记录。

（A） 用于刺激应用的包裹在坐骨神经周围的CH电极示意图。（B） 活体大鼠坐骨神经束周围包裹的CH电极的光学图像。（C） 对于具有相同暴露面积的CH和Pt电极（n=3），以100 Hz的频率和不同的电压幅度刺激诱发的踝关节旋转角度。（D） 显示不同刺激电压下腿部运动的光学图像。（E） CH电极的光学图像包裹在坐骨神经周围，并层压在附近的肌肉表面，用于同时刺激和CMAP记录。（F） CMAP跟随具有不同刺激电压的三个脉冲串。（G）0.15 V刺激和（H）0.3 V刺激的CMAP波形。所有错误条表示SD。