图1. 水凝胶电极材料制备和全系水凝胶超级电容器组装、应用和多功能原理

  随着生物电子学的快速发展，能够与人体组织直接接触的超级电容器成为可穿戴设备的关键组件。然而，传统超级电容器的刚性电极难以适应人体运动，且缺乏生物相容性和生物粘附性。近期，西南交通大学鲁雄/谢超鸣团队、浙江树人学院姜丽丽团队，开发了一种基于两性离子水凝胶弹性体电极的全水凝胶超级电容器（AHSC），具有优异的能量存储性能、生物粘附性、与人体运动匹配的机械性能以及生物相容性。该AHSC不仅能像皮肤一样柔软贴合人体，还能高效储能、稳定供电。具体设计策略包括（图1）：

  1.纳米填料的制备：通过水热法合成了钴/镍双金属有机框架（Co/Ni MOF），并利用聚多巴胺（PDA）将其锚定在还原氧化石墨烯（rGO）表面，形成Co/Ni MOF-PGO复合材料。PDA不仅防止了MOF的聚集，还通过其邻苯二酚基团增强了材料的生物粘附性（图1和图2）。

  2.水凝胶电极的制备：将Co/Ni MOF-PGO纳米填料嵌入由[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-丙基磺酸)铵（DMAPS）和羟乙基丙烯酸酯（HEA）共聚而成的两性离子水凝胶中，制备了Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极。该电极具有良好的导电性、生物粘附性和与人体运动匹配的机械性能（图1）。

  3.全水凝胶超级电容器的组装：将两个Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝胶电极与DMAPS-HEA/LiCl电解质结合，组装成AHSC。该超级电容器具有高能量存储性能、生物粘附性和生物相容性，能够适应人体运动（图4）。

  该工作打破了传统超级电容做为生物电子器件时存在的硬伤：刚性电极，像“钢板”一样硬，无法适应人体弯曲、拉伸的运动；生物相容性差，材料可能引发炎症，长期植入存在风险。 并创新性的通过仿生设计和材料设计赋予AHSC能像皮肤一样柔软贴合人体，高效储能、稳定供电等功能，具体包括以下方面：

  1. 能量存储性能：Co/Ni MOF的赝电容效应、PDA的动态氧化还原反应以及rGO的高导电性共同提升了水凝胶电极和AHSC的能量存储性能。同时，AHSC在拉升和压缩状态的电化学性能也得到了进一步验证（图2和图4）；

  2. 生物粘附性：水凝胶电极表现出优异的生物粘附性，利用两性离子水凝胶弹性体的内聚力和纳米填料的仿生贻贝粘附原理，能够长期、适度的粘附在人体皮肤上（图3）；

  3. 机械性能：该电极具有优异的拉伸性和压缩性，能够适应人体运动。AHSC也继承了水凝胶电极的机械性能，能够直接粘附于生物体组织表面，匹配组织运动并保持良好的电学性能（图3和图4）；

图4. AHSC粘附于组织表面并提供电刺激作用

  该工作以“Polydopamine Mediated Nanofillers Reinforced Zwitterion Hydrogel Electrodes for Supercapacitors in Bioelectronics”为题发表在《Nano Letters》上。这些研究不仅为生物电子学中的能量存储提供了新的解决方案，还展示了生物材料与能源材料结合的广阔前景。

  原文链接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06324