Mussel-inspired Redox-Active and Hydrophilic Conductive Polymer Nanoparticles for Adhesive Hydrogel Bioelectronics
Donglin Gan, Tao Shuai, Xiao Wang, Ziqiang Huang, Fuzeng Ren, Liming Fang, Kefeng Wang, Chaoming Xie*, Xiong Lu*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:169
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00507-0
1. 提出了一种用来制备具有导电、氧化还原活性和亲水性的磺化木质素掺杂的导电聚合物纳米颗粒的通用策略。
2. 该纳米颗粒可以作为纳米填料用来制备具有良好导电性、粘附性的超强水凝胶。
3. 由于纳米颗粒的氧化还原活性，其在水凝胶中能过保持足够多的儿茶酚基团，以提高水凝胶的粘附性。
具有生物相容性和粘附性的导电水凝胶在生物电子学领域中起着重要的作用，并且也是近年来的研究热点。常用的制备导电水凝胶的方法是将导电纳米材料，如石墨烯、碳纳米管或者金属纳米颗粒填充到水凝胶基质中。导电聚合物(CPs)，如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等由于具有良好的导电性，是制备导电水凝胶常用的导电填料。但是，CPs通常由于水分散性和生物相容性较差的原因限制了它们在导电水凝胶生物电子中的应用。除此之外，由于导电水凝胶缺乏粘附性，需要外部辅助固定于人体，容易导致较大的表面电阻。因此，研发一种制备导电粘附水凝胶的通用策略具有重大的科学意义。西南交通大学鲁雄教授团队提出了一种基于仿贻贝策略制备具有氧化还原活性、亲水性的导电聚合物纳米颗粒的通用方法。该方法克服了导电聚合物疏水性的问题，适用于包括聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)等导电聚合物纳米颗粒的制备。
首先通过乳液聚合的方法制备具有导电性、氧化还原活性和亲水性的导电高分子/磺化木质素纳米颗粒。由于磺化木质素磺酸基对导电聚合物的掺杂使该纳米颗粒具有良好的导电性。另外，磺化木质素中含有大量的亲水性磺酸基和儿茶酚基团，该纳米颗粒也具有优异的水分散性。特别的，导电聚合物/磺化木质素纳米颗粒(CP/LS NPs)中磺化木质素上酚羟基/醌基的相互转换使该纳米颗粒也具有较高的氧化还原活性。在木质素磺化过程中，过硫酸铵的加入不仅能够将磺酸基接枝在木质素上，同时还能够将木质素上的甲氧基等基团氧化为醌基。而在导电高分子从还原态(本征态)变为氧化态的聚合过程中，电子能够从导电高分子转移到磺化木质素结构上，从而将木质素上的醌基转化成为酚羟基。此外，在木质素上酚羟基和醌基的转化过程中，导电高分子也具有促进电子转移的作用。CP/LS NPs作为一种通用的导电纳米填料，制备具有良好导电性、粘附性以及可拉伸性能的水凝胶。具有氧化还原活性的CP/LS NPs能在水凝胶内部构建动态氧化还原反应并使聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶保持足够的多的儿茶酚基团，赋予水凝胶持久可重复的粘附性能。
I 纳米颗粒氧化还原以及水凝胶粘附机理
水凝胶的这种粘附机理与自然界生物贻贝类似。海洋生物贻贝能够保持长期粘附的原因是贻贝丝足蛋白中的儿茶酚基团的动态氧化还原，贻贝丝足蛋白(mfp)中还能够分泌具有还原性的mfp-6以保持儿茶酚的氧化还原，并且避免粘附蛋白mfp-3和mfp-5上儿茶酚基团被过度氧化而失去粘性。我们组的前期工作已经证明了具有氧化还原活性的木质素可以用来制备粘附水凝胶。在该CP/LS NPs-PAM水凝胶中，磺化木质素和导电聚合物形成电子供体-受体配对，促进了木质素上儿茶酚和醌基转换过程中的电子转移。因此，受贻贝中儿茶酚/醌基的动态氧化还原平衡启发，CP/LS NPs-PAM水凝胶内部也构建了类似的氧化还原体系，为水凝胶提供大量的儿茶酚基团。NPs上大量的儿茶酚基团使其能够在水凝胶中均匀分布并形成良好连通的导电通路赋予水凝胶良好的导电性能。除此之外，NPs还能够在化学交联的PAM水凝胶网络中引入大量的非共价键相互作用和纳米增强效应进一步提升水凝胶的机械强度。
图1. 亲水性和氧化还原活性导电聚合物/磺化木质素(CP/LS)纳米颗粒掺杂的导电性和粘合性水凝胶制备。(a) 水凝胶的导电和粘附机理。左：LS掺杂的CP，例如PEDOT，PANI和PPY。右图：仿贻贝粘附机制。(b) 将CP/LS NPs掺入水凝胶网络中以获得具有高电导率和粘附性的水凝胶。i. NP可与PAM网络形成物理相互作用，并在水凝胶内部构建导电通路。ii. CH具有良好的粘附性，可用于生物电子应用。
通过以LS为模板的方法制备了三种纳米颗粒。实验结果证明，由于CP/LS中酚羟基的存在，三种CP/LS NPs在水溶液中能够良好的分散，通过静置30 mim和48 h，均未发现明显的团聚沉淀现象。利用SEM观察其形貌发现，其中PEDOT/LS为球形纳米颗粒粒径150 nm左右，而PPy/LS和PANI/LS均为纳米棒状结构。XPS结果发现在PEDOT/LS、PPy/LS和PANI/LS 纳米颗粒分别在285.15 eV和285.53 eV处出现C-S和C-N的特征峰，同时三种纳米颗粒在286.58 eV出现大量的酚羟基中C-O的特征峰，以上结果证明了LS成功掺杂了导电聚合物，并且在纳米颗粒中含有大量的酚羟基官能团。
图2. 纳米颗粒的制备与表征。(a) 磺化木质素以及纳米颗粒的制备。(b) CP/LS的SEM。(c) CP/LS XPS分析。
由于含有氧化还原活性的CP/LS NPs并含有丰富的儿茶酚基团，因此基于CP/LS NPs的水凝胶具有优异的粘附性(图2a)。CP/LSNPs水凝胶能够牢固粘附在作者的手背皮肤，水凝胶剥离后不会留下残留物。CP/LS NPs水凝胶还能够粘合在合金表面，并且能够拉伸至原始长度的7倍(PEDOT/LS-PAM水凝胶)、8.5倍(PPy/LS-PAM水凝胶)、6倍(PANI/LS-PAM水凝胶)而不从基体上脱落。此外，水凝胶还可以稳定的粘附在不同基体上，如玻璃、聚四氟乙烯和大鼠心脏组织。为了证明纳米颗粒在水凝胶的粘附中具有重要作用，我们以PEDOT/LS-PAM水凝胶为例，比较PAM，PEDOT-PAM水凝胶和PEDOT / LS-PAM水凝胶的粘附性。如图2b所示，PEDOT/LS-PAM水凝胶具有良好的粘附性，在各种基体表面都有较强的粘附强度，例如，合金(23.3 kPa)、聚四氟乙烯(22.5 kPa)、玻璃(21.5 kPa)和猪皮(20 kPa)，PAM、PEDOT-PAM水凝胶的粘附强度远低于PEDOT/LS-PAM水凝胶。PEDOT/LS纳米颗粒的含量对水凝胶的粘合强度也有较大的影响。随着纳米颗粒含量增加，水凝胶粘合强度随着增加。但是过量的纳米颗粒不利于水凝胶聚合形成稳定的网络，因此粘附强度会有所降低。尤其值得注意的是，水凝胶具有持久的粘附强度。经过30次的剥离粘附循环，PEDOT/LS-PAM水凝胶的粘合强度仍然保持较高的粘附强度。
图3. CP/LSNPs掺杂的水凝胶的粘附特性。CP/LS-PAM水凝胶(a) 粘附在皮肤上、粘附在合金片上并且可以拉伸至较大应变、粘附在玻璃上、塑料上以及SD大鼠的心脏上。(b) PAM、PEDOT-PAM、PEDOT/LS-PAM水凝胶在不同基材上的粘合强度。(c) PEDOT/LS-PAM水凝胶长期粘合强度。(d) 基体与水凝胶的相互作用：I. 配位键；II. 共价键；III. π–π相互作用；IV. 氢键。
CP/LS-PAM水凝胶的粘附强度可以通过CP与LS之间的比例来调节。如图3所示，PEDOT/LS、PPy/LS和PANI/LS水凝胶最佳粘附强度的CP与LS的比例为1:1、2:1和2:1。出现这种现象的主要原因有以下两个方面：首先，CP与LS比例较低时，纳米颗粒体系中不能给产生足够多的电子以维持儿茶酚/醌基之间的氧化平衡。其次，其次，CP与LS的比例过高时，可能导致儿茶酚基团不足以赋予水凝胶强粘附性。
图4. 不同导电聚合物与磺化木质素比例形成的纳米颗粒在不同基体上(猪皮、玻璃、合金、聚四氟乙烯)的粘附强度。(a) PEDOT:LS，(b) PPY:LS，(c) PANI:LS。
V CP/LS-PAM水凝胶的导电性能及其在传感器中的应用
CP/LS掺杂的水凝胶具有良好的导电性和粘附性以及多功能性。与单独的导电纳米材料复合的导电水凝胶相比，该水凝胶不仅有更好的导电性，还具有较强的粘附性能。由于PEDOT在水溶液中具有良好的稳定性，本研究选用PEDOT/LS-PAM水凝胶对其应用进行展示。串联入带有LED灯的粘附、导电PEDOT/LS-PAM水凝胶能够粘附在塑料上并且可以被拉伸，随着拉伸长度的增加，LED灯的亮度由于水凝胶电阻的增加而降低。水凝胶可以作为应变传感器，在不同应变状态，水凝胶的电阻不同因此通过水凝胶的电流发生变化，通过记录电流的变化率可以对应变进行实时监控。由于PEDOT/LS-PAM水凝胶的优良的粘附性和导电性，水凝胶还可以作为自粘附肌电图和心电图的检测电极。并且能够准确的接受ECG和EMG信号。
图5. 纳米颗粒掺杂的水凝胶导电性能及其应用的表征。(a) 不同水凝胶电导率(纳米颗粒含量3%)。(b) 不同PEDOT/LS含量的水凝胶的导电性。(c) 不同CP/LS比例的水凝胶的电导率。(d) 将水凝胶连入电路并点亮LED灯，检测水凝胶拉伸对LED灯亮度的影响。(e) PEDOT/LS-PAM作为电子皮肤，通过测量电流的变化来检测水凝胶的拉伸应变。PEDOT/LS-PAM作为电子皮肤作为生物电极用于测量(f) 肌电信号EMG和(g) 心电ECG信号。
PEDOT/LSNPs还赋予水凝胶超强的拉伸性能和较好的可恢复性。如图3-4a所示，PEDOT-LS-PAM水凝胶能够拉伸至128 mm后，卸载拉伸力之后水凝胶几乎可以恢复至原始长度。对水凝胶进行拉伸循环测试，结果表明，在第一个拉伸循环中水凝胶中由于部分非共价键发生不可逆破坏而出现残余应变的滞后现象。在后续的循环拉伸实验中，PEDOT/LS-PAM水凝胶的循环拉伸曲线显示出高度重叠，表面该水凝胶具有优异的弹性和机械稳定性磺化木质素添加到水凝胶中之后，由于LS上的活性基团能够与PAM水凝胶网络产生非键作用，其微观结构发生明显的改变，展现出大孔和微孔互穿的结构。PEDOT/LS-PAM水凝胶显示出大量交织的微纤维结构，局部放大图可以观察到纳米颗粒均匀分布在水凝胶网络中。
图6. (a) PEDOT/LS-PAM水凝胶能够拉伸至原始长度的25.6倍，并恢复至原始长度。(b) PEDOT/LS-PAM水凝胶循环拉伸曲线。(c) 不同水凝胶水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(d) 不同水凝胶的强伸积(e) 不同水凝胶的断裂能。(f) PEODT-PAM和(g) PEDOT/LS-PAM水凝胶的SEM图片。
VII 水凝胶电刺激细胞增殖以及体内生物相容性评价
该水凝胶由于具有良好的导电性而可用于电刺激调节细胞行为。在不同刺激电压下(0 mV，300 mV，600 mV)下，C2C12在PAM、PEDOT-PAM和PEDOT/LS-PAM水凝胶上电刺激培养，并观察细胞在水凝胶上的粘附，铺展和增殖情况。荧光图像表明，C2C12在PEDOT/LS-PAM水凝胶上的粘附和铺展情况明显优于PEDOT-PAM和PAM水凝胶图6a。图6b MTT测试结果显示，与PAM和PEDOT-PAM水凝胶相比，PEDOT/LS-PAM水凝胶能够更好的促进细胞的增殖。随着PEDOT/LS-PAM水凝胶上刺激电压的增加，细胞的增殖活性随之增加。但是，当刺激电压达到600 mV时细胞的增殖被抑制。显示了C2C12在不同水凝胶上的铺展和粘着斑的形成。在PAM和PEDOT-PAM水凝胶上的细胞粘附较少，并且只有少量的粘着斑形成。相反的PEDOT/LS-PAM水凝胶显示出更多的细胞粘附和铺展，并且有较多的粘着斑形成，并且相邻之间的细胞粘着斑连接在一起。当刺激电压低于300 mV，刺激电压增加能够使细胞在水凝胶上更好的粘附和铺展。通过计算细胞的粘附面积得出：在300 mV下，PEDOT/LS-PAM水凝胶粘附面积最大。与PEDOT-PAM相比，木质素的引入不仅能够促进C2C12的粘附，也能增加细胞与材料的粘附面积。总之，由于LS的掺入，PEDOT/LS-PAM水凝胶的生物相容性增加，因此PEDOT-LS-PAM水凝胶适用于电刺激细胞培养以及在生物电子设备中的应用。
图7. (a) 电刺激细胞装置。(b) 通过MTT分析测量C2C12的增殖。(c) 在不同水凝胶上电刺激培养C2C12 7天后的荧光显微照片。细胞用钙黄绿素-AM染色(绿色)。(d) 电刺激条件下在不同水凝胶上培养7天后C2C12粘着斑形成。细胞核用DAPI染色(蓝色)和抗扭蛋白抗体用于粘着斑染色(绿色)。(e) C2C12在不同电压下的长径比(f) C2C12每个细胞的粘附面积。
PEDOT/LSNPs掺入水凝胶后，不仅赋予水凝胶优异的导电性和粘附性，还赋予水凝胶良好的生物相容性。将PAM、PEDOT-PAM和PEDOT/LS-PAM三种水凝胶植入大耳白兔的背部肌肉组织用来评价水凝胶的生物相容性(图7a)。组织学染色表明，PAM水凝胶周围生物肌肉组织有一层薄的炎症区域，并且含有一些嗜酸性粒细胞和巨噬细胞。而在PEDOT-PAM水凝胶周围的肌肉组织中出现一层厚厚的炎症区域，在该炎症区域中大量的巨噬细胞、中性粒细胞、以及嗜酸性粒细胞出现。不同于PAM和PEDOT-PAM水凝胶，由于磺化木质素中含有儿茶酚官能团的存在，PEDOT/LS-PAM水凝胶表现出较少的炎症反应，并且水凝胶能够与周围的肌肉组织很好的整合。因此，PEDOT / LS-PAM水凝胶是一种有效的可植入生物材料，具有良好的导电性，粘附性，可用作可植入的生物电子设备。
图8.(a)水凝胶植入示意图。(b)植入14天后组织学切片的H&E染色。图中绿色箭头代表嗜酸性粒细胞；红色箭头代表巨噬细胞。
谢超鸣
本文通讯作者
西南交通大学 副教授
生物材料表面界面、仿生自粘附水凝胶、骨再生材料等。
▍主要研究成果
在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemistry of Materials, Small等国际期刊发表论文20余篇。主持国家自然科学基金，四川省科技计划项目，中国博士后科学基金特别资助，中国博士后科学基金面上资助。Smart Materials in Medicine杂志编委。
▍Email: xie@swjtu.edu.cn
▍个人主页
faculty.swjtu.edu.cn/xiechaoming
鲁雄
本文通讯作者
西南交通大学 教授
生物医用材料，材料基因工程，水凝胶材料，微纳加工与纳米材料，材料表面改性，计算机模拟在材料中的应用。
▍主要研究成果
先后入选教育部新世纪优秀人才资助计划，四川省杰出青年学术技术带头人资助计划，日本学术振兴会博士后研究员(JSPS Fellow)。主持国家自然科学基金，863、国家重点研发项目等多项。在Nature Communications, Biomaterials, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Chemistry of Materials, Small等期刊上共发表论文180余篇，论文总引用5000余次。开发出多种钛表面微纳图形制备技术，研究出同时具有骨诱导和抗菌作用的表面复合涂层，授权专利20余项。
▍Email: luxiong@home.swjtu.edu.cn
▍个人主页
faculty.swjtu.edu.cn/luxiong/
Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。
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