导电聚合物水凝胶，尤其是聚(3,4-二氧乙撑噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）水凝胶已成为理想的生物电子材料，有望用于人体健康监测、神经疾病治疗、辅助肢体康复等应用。然而现有PEDOT:PSS水凝胶的力学、电学、加工技术存在互不兼容的问题，限制了其快速发展与广泛应用。

  近日，江西科技师范大学卢宝阳教授团队提出了PSS链工程策略，在PSS链上引入聚（N-羟甲基丙烯酰胺）（PNHMAA），设计合成了一种新型PEDOT:P(SS-co-NHMAA)水凝胶。该水凝胶电导率> 1800 S m^-1，比传统半互穿结构增韧的PEDOT:PSS水凝胶高出两个数量级；拉伸性> 50%，优于纯PEDOT:PSS（10% ~ 40%）。基于这些性能优势，进一步通过多材料3D打印技术制作了水凝胶皮肤电极，所制备的电极表现出优异的皮肤顺应性和良好的电学性能，可以实现对人体EMG信号的高精度检测（信噪比高于商业化皮肤电极）。因此PSS链工程策略不仅解决了高性能导电聚合物水凝胶发展的长期挑战，而且为下一代水凝胶生物电子器件和应用提供了一个新途径。该工作以“Design of highly conductive, intrinsically stretchable, and 3D printable PEDOT:PSS hydrogels via PSS-chain engineering for bioelectronics”为题发表在《Chemistry of Materials》上，并被遴选为Supplementary Cover论文。

  导电聚合物水凝胶，尤其是PEDOT:PSS基水凝胶，由于其同时具有离子-电子导电性、类组织力学性以及优异的生物相容性，现已成为理想的生物电子界面材料。在过去三年中，PEDOT:PSS基水凝胶在生物电子学领域取得了巨大进展，包括对PEDOT:PSS水凝胶的设计和合成基础认识的建立，先进制造和加工技术的发展，以及神经刺激和信号记录的生物电子器件和应用的开发。然而，兼具优异力学、电学、加工性的PEDOT:PSS基水凝胶的开发仍存在系列挑战：纯PEDOT:PSS水凝胶具有高电学性能，但力学性能差，容易碎裂（Pure PEDOT:PSS hydrogels, Nature Communications 2019, 10, 1043）。将PEDOT:PSS与其他强韧水凝胶体系复合可显著提高其力学性能，但这些水凝胶体系的引入通常会阻碍导电PEDOT相之间的连通性，严重折损其电学性能，且复合后PEDOT:PSS水凝胶的凝胶方式与溶胀行为会发生改变，从而影响其加工能力，阻碍了生物电子器件的设计开发及其实际应用。

PEDOT:P(SS-co-NHMAA)水凝胶的设计与合成：

图1 PEDOT: P(SS-co-NHMAA)水凝胶的设计与合成

PSN水凝胶的力学与电学性能：

图2 PSN水凝胶的力学与电学性能

3D打印PSN墨水制备及3D打印流程：

图33D打印PSN墨水制备及3D打印流程

基于PSN水凝胶柔性皮肤电极的多材料一体化3D打印及其电生理信号记录

图4 BC-CPH全水凝胶生物电极的多材料一体化3D打印及其性能

  综上所述，PSS链工程策略可以制备高电导率、高拉伸、高韧性、高稳定性等优势性能的PSN水凝胶，克服了PEDOT:PSS水凝胶高电导率与力学强韧性之间的矛盾关系。此外，PSN水凝胶前体墨水还具有优异的可加工性，可以通过先进的DIW 3D打印技术轻松实现图案化加工与应用。所得的PSN水凝胶基柔性皮肤电极可以稳定且连续地纪录人体肌电信号，在可穿戴设备与生物医学领域有着良好的应用前景。这项工作不仅为设计高性能导电聚合物水凝胶提供了一个新途径，使人机交互界面变得更加完善，还有望推广PEDOT:PSS基水凝胶在软生物电子、组织工程，甚至神经科学及临床应用。

  原文链接：

  Jiawen Yu?, Fajuan Tian?, Wen Wang?, Rongtai Wan, Jie Cao, Chen Chen, Dianbo Zhao, Jingcheng Liu, Jiang Zhong, Fucheng Wang, Qi Liu, Jingkun Xu, Baoyang Lu*, Design of highly conductive, intrinsically stretchable, and 3D printable PEDOT:PSS hydrogels via PSS-chain engineering for bioelectronics. Chem. Mater. 2023

  https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00844.

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