西安交大李涤尘/王玲团队AFM：性能可调的多模态导电凝胶—— 科技版“混天绫”

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-20 07:59

正文

电影中可柔可刚的混天绫随哪吒心意千变万化，搅动四海乾坤。混天绫的“柔”与“韧”，恰似导电凝胶打破硬质传感接口与柔性生物界面的边界，以多模态应用之姿，在医疗、电子、能源等领域掀起柔性传感的革命。然而目前导电凝胶的性能调控能力有限，且通常需要复杂后处理方式才能保障导电凝胶成型的同时实现机械性能和电学性能的平衡，极大的限制了凝胶基传感接口设计和制造的灵活性。

近期，西安交通大学李涤尘教授与王玲教授团队提出了一种物理共混-光引发交联协同策略，无需材料改性和表面活性剂的添加，通过优化各组分之间的耦合顺序和占比，成功构建出一种柔软可拉伸、高电导率、生物相容、可3D打印和无需复杂后处理的光交联增强型碳纳米管基导电凝胶。

图1 导电凝胶的设计策略及网络结构

以含有丙烯酸酯光敏基团的嵌段共聚物F127DA为韧性网络以及分散剂，SWCNT为主要导电网络，PEDOT:PSS为导电添加剂的碳基导电纳米复合油墨，利用分子间范德华力、静电作用以及亲疏水键相互作用，实现了导电墨水的均匀分散。由于SWCNT和PEDOT:PSS具有较低的吸光度，复合油墨可在405nm的紫外光照射下通过F127DA分子链上接枝的光敏基团产生的聚合反应固化形成凝胶。

图2 导电凝胶的表征

进一步探究复合油墨配置过程中的耦合顺序对墨水微观性能的影响，并阐明了韧性网络和导电网络之间的相互作用机理。通过改变碳纳米管和PEDOT:PSS的组分占比，对导电凝胶的力电性能、3D打印性能、生物相容性进行了精准调控。

性能可调的导电凝胶不仅可以作为“皮肤电子纹身”面向生理、应变和湿度传感、热量补偿等多模态可穿戴应用场景，还可以在低电压阈值下对在体坐骨神经进行有效刺激。进一步的，通过3D打印技术自由印刷的电极阵列可实现对脑组织的稳定贴附以及对电生理信号的实时监测，为体内到体外的多模式应用场景提供更加适配的生物电子传感接口，所研究的材料体系也可等同应用于柔性可折叠的生物传感器和活性组织原位传感器件的制备。

相关成果以“Tailoring Stretchable, Biocompatible, and 3D Printable Properties of Carbon-Based Conductive Hydrogel for Bioelectronic Interface Applications”为题发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上，西安交通大学机械工程学院王玲教授为论文通讯作者， 李涤尘 教授为论文共同通讯作者，西安交通大学机械工程学院博士研究生 姚思琦 为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金（52275291, 52435006, 52105588）、陕西省创新团队项目（2023-CX-TD-17）、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

导电凝胶自问世以来，其不断向前推进的研发历程十分符合中国古代神话人物哪吒不给自己设限，人生有无尽可能的精神宣言——柔软亦可强大。每位科研工作者都不断地将自己的热情和创造力化为属于这个时代的风火轮、火焰枪、混天绫，以科技之力一次次打破现实和认知的边界与枷锁！