通过硅烷改性的PDMS提高粘附性和电化学性能的柔性金电极，应用于生物电子学领域

《Advanced Electronic Materials》：Flexible Gold Electrodes with Enhanced Adhesion and Electrochemical Performance via Silane-Modified PDMS for Bioelectronics

本研究提出一种通过氧等离子体处理和3-mercaptopropyltrimethoxysilane（MPTMS）硅烷化改进的PDMS表面改性策略，成功制备了具有优异附着力（经湿超声测试验证）和稳定电化学性能（双层电容24 μF·cm?2，电荷存储容量495 ± 48 μC·cm?2）的导电金薄膜。该柔性电极在生理条件下（37°C，pH 7.4）表现出超过商用铂电极67%的效能，电流注射极限达8 mA，且在120小时浸泡中保持阻抗稳定。

　　在生物电子学领域，柔性电极的开发是推动神经接口、软体传感器和可穿戴医疗设备的重要方向。由于传统电极材料如硅或玻璃在生物组织中存在机械不匹配的问题，这些材料容易引发炎症、胶质增生等副作用，限制了其长期使用。因此，研究人员致力于探索能够与生物组织良好兼容的柔性材料，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其优异的机械性能、化学稳定性以及易于微加工的特性，成为极具潜力的候选材料。然而，将导电金属如金或铂直接沉积在PDMS表面仍面临挑战，尤其是PDMS固有的表面疏水性和低表面能导致金属层的附着力较差，影响其在湿性环境中的稳定性。本文提出了一种通过化学表面改性实现PDMS与金层之间强附着和良好电化学性能的方法，为下一代柔性神经接口和软体生物电子系统提供了新的思路。

PDMS作为一种软性材料，具备较低的弹性模量（通常在100 kPa至1 MPa之间），使得其在与生物组织接触时具有良好的适应性。然而，由于其表面特性，直接沉积金属层往往难以实现稳定的附着和优异的电导性能。为解决这一问题，本文引入了一种两步表面处理策略：首先使用氧气等离子体处理PDMS表面，使其产生亲水性的羟基（─OH）；随后，通过3-mercaptopropyltrimethoxysilane（MPTMS）对PDMS进行功能化处理，形成与金层具有强共价键结合能力的硫醇（─SH）基团。这种方法不仅提升了金层在PDMS表面的附着力，还优化了电极的电化学性能，使其能够在湿性环境中保持稳定，避免因机械应力或电化学反应导致的分层或失效。

在实验部分，研究人员对PDMS表面进行了多种化学处理，并评估了其对金层附着力和电化学性能的影响。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDX）分析了金层的覆盖情况和化学组成，证实了表面功能化后的金层具有均匀的分布和良好的电导性。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测了PDMS表面化学结构的变化，进一步验证了MPTMS的成功修饰。这些表征手段为后续的电化学性能测试提供了坚实的基础。

为了模拟体内环境，研究团队对金层进行了湿性条件下的附着力测试，包括超声波处理和ISO 2409交叉切口胶带测试。测试结果显示，经过MPTMS修饰的PDMS表面在超声波处理后仍能保持金层的完整性，表明其在动态机械应力下的稳定性。相比之下，仅使用氧气等离子体处理或添加SDS（十二烷基硫酸钠）的样品在超声波测试中表现出较差的附着力，表明MPTMS在增强金属与聚合物界面结合力方面具有显著优势。此外，使用ISO 2409标准测试方法进一步验证了金层与PDMS之间的强结合，表明该方法在生物电子设备中具有实际应用价值。

在电化学性能评估方面，研究人员采用循环伏安法（CV）和电压瞬态测量等手段，对金修饰PDMS电极与商用铂电极进行了对比。结果显示，金修饰PDMS电极的双电层电容（Cdl）为约24 μF·cm^?2，其电荷存储能力（CSC）达到495 ± 48 μC·cm^?2，约为商用铂电极性能的67%。值得注意的是，金修饰PDMS电极在电流注入能力（CIL）方面表现出显著优势，其最大电流注入能力达到8 mA，超过铂电极的3 mA，表明其在生物电子接口中具有更高的电荷传输效率。此外，通过电化学阻抗谱（EIS）对电极的长期稳定性进行了评估，结果显示金修饰PDMS电极在120小时的模拟体内环境中保持稳定的阻抗值，没有出现明显的分层或退化现象，进一步验证了其在实际应用中的可靠性。

在研究过程中，研究人员还对金层的厚度进行了优化。通过测试不同厚度的金层（65 nm、130 nm、195 nm），发现130 nm厚度的金层在保持低电阻（约15 Ω·sq^?1）的同时，能够有效提升附着力和电化学性能。然而，当金层厚度超过130 nm时，出现了薄膜开裂和电导率下降的现象，这可能是由于金属层与PDMS基底之间的机械失配所导致的。因此，确定130 nm为最佳厚度是本研究的一个重要发现，表明在柔性电极设计中，厚度的优化对于实现良好的电导和机械稳定性至关重要。

此外，研究团队还探讨了金修饰PDMS电极在不同频率下的电化学响应。在低频段（<10 Hz），金修饰PDMS电极表现出较低的阻抗，显示出良好的电容特性，而在高频段（如1 kHz），其阻抗值略高于铂电极。这一现象可能与溶液电阻、金属层厚度以及缺乏嵌入式导电结构有关。尽管如此，金修饰PDMS电极在低频下的优异表现仍然使其在神经记录等应用中具有重要意义。未来的研究可以进一步优化电极设计，如通过改进导电路径的结构或引入复合材料（如银纳米线或聚合物刷）来改善高频下的电化学性能。

本文的研究成果不仅展示了PDMS作为生物电子基底的潜力，也为实现高性能、可扩展的柔性电极提供了可行的策略。通过氧气等离子体激活和MPTMS修饰，研究人员成功地构建了一种在机械灵活性和电化学稳定性方面均表现优异的电极系统。这种电极不仅适用于神经刺激和传感，还能够广泛应用于其他软体生物电子系统，如人工皮肤、微流体装置等。随着对柔性材料和表面改性技术的深入研究，这一方法有望在未来的医疗设备中发挥更大的作用，推动生物电子学的发展。

总之，本文通过系统的实验设计和深入的性能评估，提出了一种新型的PDMS表面改性策略，能够有效提升金层的附着力和电化学性能。该方法不仅为柔性电极的制备提供了新的思路，也为实现更加稳定和高效的生物电子接口奠定了基础。研究结果表明，金修饰PDMS电极在机械性能、电导率和电化学稳定性方面均具有显著优势，具有广阔的应用前景。随着相关技术的不断进步，该方法有望在生物医学工程领域发挥更大作用，为下一代柔性电子设备的开发提供有力支持。