近年来，随着可穿戴电子设备和生物医学工程的快速发展，对高性能、生物相容性和机械柔性的储能设备产生了迫切的需求。为了满足微型器件的功率需求，超级电容器作为一种关键的储能技术，因其高功率密度、快充放电速率、长循环寿命等特点而备受关注。然而，传统的超级电容器主要采用刚性材料，无法满足可植入装置对柔性和生物相容性的严格要求。因此，开发新型柔性超级电容器材料，特别是集生物相容性和黏附性于一体的水凝胶超级电容器成为当前的研究热点。本文提出一种基于高粘附性聚丙烯酸水凝胶并利用PEDOT:PSS作为导电材料的新型可植入柔性水凝胶超级电容器。通过分子设计和材料优化，获得了优异的粘附性、电化学性能和机械性能。同时系统地评估了该超级电容器的生物相容性和长期植入性能，证实了其在生物医学应用中的潜力。该工作以“ A Hydrogel Implantable Supercapacitor with Tissue-Adhesive Using PEDOT:PSS as Active Material”为题发表在“Biomacromolecules”上。文章第一作者为兰州理工大学材料学院硕士生周素汀，通讯作者为冉奋教授。

  粘附型超级电容器的结构采用了对称的三明治设计，两侧均设有相同的电极层，中间填充有水凝胶电解质（图1）。具体而言，电极层由聚丙烯酸水凝胶基质构成，其中掺入了PEDOT：PSS作为导电成分。在组装对称超级电容器之前，电极层会经过DMSO热处理，这有助于PEDOT：PSS分子链在水凝胶中的伸展。图2展示了水凝胶基超级电容器的基体配比筛选以及经过DMSO后处理前后的表征测试。DMSO的后处理显著提高整体的导电性和电容量（图3）。对于植入式柔性超级电容器而言，体内无需缝合线至关重要。因此，该装置必须具备强大的组织粘附能力。这种粘附性得益于聚丙烯酸材料中丰富的亲水性功能基团和灵活的长分子链，能够实现与组织的安全连接，无需使用手术缝合线(图4）。水凝胶电解质由聚丙烯酸与壳聚糖季铵盐的共聚物形成。这种设计特别强调了生物相容性，这是植入设备的关键特性。通过选用生物相容性的聚丙烯酸水凝胶和导电聚合物，该设备确保了其适用于体内应用。此外，壳聚糖季铵盐的加入不仅增强了生物相容性，还赋予了抗菌性能，确保了体内植入的安全性（图5）。

图1. 聚丙烯酸基PEDOT：PSS超级电容器的制备工艺及粘附机理。

图2. (a)水凝胶电解质和电极层的傅里叶红外光谱。(b)6种水凝胶的离子电导率与聚丙烯酸交联剂含量（0.7%，0.8%，1%，1.2%，1.5%，2%）的关系。(c)六种水凝胶的应力-应变曲线。(d)DMSO处理前电极层中S 2p的X射线光电子能谱。(e)DMSO处理后电极层中S 2p的X射线光电子能谱。(f)DMSO处理前后电极层中S 2p的X射线光电子能谱对比。（g，i）DMSO处理前电极层表面的激光共聚焦显微镜图像。（h，j）DMSO处理后电极层表面的激光共聚焦显微镜图像。(k)DMSO处理前电极层表面的SEM结果。(l)DMSO处理后电极层表面的SEM结果。

图3. 展示了电化学性能测试的结果，包括循环伏安曲线(a)、充放电曲线(b)、阻抗(c)以及在0.1 mA cm?3条件下处理前后的比容量(d)。(e)显示了设备经过10,000次GCD循环和DMSO处理后的电容保持情况。(f)展示了设备弯曲100次后的循环伏安曲线。(g)展示了设备在不同弯曲角度下的循环伏安曲线。(h)展示了两个相同设备并联连接时，在100 mV s^?1的扫描速率下的循环伏安曲线。

图4. (a)超级电容器的粘附机制。(b)设备的柔性和手指贴合展示照片。(c)180°拉伸实验的照片。(d)水凝胶在猪肝、皮肤、肾脏、心脏和血管上的界面韧性及粘性摩擦应力。(e)水凝胶粘附在猪肝、皮肤、肾脏、心脏和血管上的照片。

图5. (a)小鼠植入第1天和移除装置第15天的照片。(b)空白组与实验组四个凝血项目的对比数据。(c)比较了空白组与实验组在第1天和第15天的血红蛋白浓度、平均血小板体积、血小板分布宽度以及红细胞和白细胞分布的数据。(d)比较了空白组与实验组的肥大细胞数量。(e)空白组与实验组组织对照的H&E染色和甲苯胺蓝染色照片。(f)超级电容器、聚丙烯酸水凝胶和电极层在金黄色葡萄球菌下的抗菌性能。

  原文链接：

  A Hydrogel Implantable Supercapacitor with Tissue-Adhesive Using PEDOT:PSS as Active Material.

  Suting Zhou, Meimei Yu, Yumeng Wang, Yuxia Zhang, Xiangya Wang, Fen Ran*

  Citation: Biomacromolecules. 2025

  https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c00300

作者简介

第一作者介绍：

  周素汀，2021年青岛科技大学高分子材料与工程专业本科毕业。2022年至今，在兰州理工大学材料科学与工程学院（有色金属先进加工与再利用国家重点实验室）攻读材料工程硕士学位。

通讯作者介绍：

  冉奋，教授/博士生导师，2022~2024年度科睿唯安全球“高被引学者”。现在兰州理工大学储能研究院从事教学与科研工作。课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/ran。