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生物电子设备在医疗领域潜力巨大，但传统电子植入物存在诸多问题，可注射水凝胶生物电子学是新兴方向。研究人员通过用亲水性生物大分子调控掺杂条件，开展提升水凝胶导电性研究。结果提升了导电性等性能，为瞬态生物电子学应用提供可能。
在现代医疗科技领域，生物电子设备宛如一颗璀璨的新星，为医疗诊断和治疗带来了前所未有的变革潜力。它就像一个神通广大的 “健康小卫士”，能够精准地感知生物信号，刺激受损组织，帮助医生更好地了解人体健康状况，为患者提供更有效的治疗方案。然而，这颗新星也面临着一些挑战。传统的电子植入物在与人体内部器官 “合作” 时，往往需要进行侵入性手术，这就好比在人体这座精密的 “大厦” 里大动干戈，不仅会给患者带来痛苦，还可能引发一系列并发症。而且，这些植入物与人体组织的机械性能不匹配，就像方枘圆凿，难以和谐共处，长期使用会导致纤维化、组织整合不良以及对周围原生组织的损伤。
为了解决这些棘手的问题，来自国外多个研究机构的研究人员携手合作，开展了一项意义重大的研究。他们把目光聚焦在可注射水凝胶生物电子学领域，致力于提升水凝胶的导电性，从而推动这一领域的发展。经过不懈努力，他们取得了令人瞩目的成果。研究表明，通过用亲水性生物大分子调控掺杂条件，能够显著提升导电聚合物在水凝胶中的分散性和导电性，这一成果为瞬态生物电子学应用开辟了新的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了科学界的广泛关注。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过化学合成的手段制备了 PEDOT:AlgS 等导电聚合物，利用多种光谱技术（如 UV-vis 光谱、FTIR 光谱）对聚合物的结构和性能进行表征。同时，借助动态光散射（DLS）、扫描电子显微镜（SEM）等技术观察聚合物的微观结构和分散状态。此外，还采用电化学阻抗谱（EIS）等方法研究材料的电学性能。
下面让我们详细了解一下研究结果。
- 水可分散 PEDOT 导电添加剂的设计与表征：研究人员通过两步反应合成了 PEDOT:AlgS。首先用氯磺酸（CSA）对海藻酸钠进行改性，得到带负电荷的亲水性 AlgS 掺杂剂；然后在 EDOT 的氧化聚合过程中用 AlgS 掺杂 PEDOT。通过 FTIR 光谱、SEC 测试等多种手段对合成的聚合物进行表征，结果表明成功制备了目标聚合物，且其具有良好的性能。
- 冻干 PEDOT 聚合物的水分散性：与 PSS 相比，用 AlgS 掺杂的 PEDOT 具有更小的尺寸和更高的亲水性，从而实现了增强的分散性。DLS 数据显示，PEDOT:AlgS 的尺寸分布比 PEDOT:PSS 小一个数量级；zeta 电位测量表明，PEDOT:AlgS 的净负电荷随着磺化程度的增加而增加，有助于其在水中的分散稳定性。
- PEDOT 溶液的生物相容性和生物降解性：体内注射实验表明，PEDOT:AlgS 具有良好的生物相容性，免疫细胞能够浸润并尝试消化聚合物，而 PEDOT:PSS 则会形成纤维包膜。体外水解实验证明，PEDOT:AlgS 具有水解可降解性，这归因于 AlgS 主链上的可水解糖苷键。
- 基于水凝胶的 3D 打印软生物电极：PEDOT:AlgS 在水凝胶中的高分散性使其在 3D 打印生物电子学中具有巨大潜力。与 PEDOT:PSS 相比，使用 PEDOT:AlgS 的水凝胶在导电性、打印保真度以及对生理信号和温度的敏感性方面都有显著提升。
- 用于伤口监测的可注射智能生物粘合剂：将 PEDOT 聚合物与生物可降解且离子交联的生物粘合剂平台（GelCA）结合，制备了可注射的智能生物粘合剂。PEDOT:AlgS 在 GelCA 中的分散性更好，能够显著提高水凝胶的导电性和 pH 敏感性，使其在伤口监测应用中表现出色。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，通过亲水性替代物掺杂 PEDOT 是提高其在水凝胶中分散性和导电性的有效策略。PEDOT:AlgS 具有诸多优势，如高分散性、高导电性、良好的生物相容性和生物降解性，以及与其他离子交联水凝胶系统更强的整合能力，使其成为可植入、可生物降解和可注射生物电子学的理想候选材料。此外，将 PEDOT:AlgS 引入明胶基生物粘合剂中，能够实现对伤口感染等状况的智能监测，大大提升了生物电子学在医疗领域的应用价值。然而，研究人员也认识到，尽管在提高水凝胶导电性方面取得了重要进展，但与金属电极相比，水凝胶基电极的导电性仍有待进一步提高。未来，还需要更多的创新研究，以推动可注射生物电子学的发展，使其能够更好地应用于实时健康监测、神经接口等领域，为人类健康事业做出更大的贡献。
