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为解决水凝胶电极在生物电子界面应用中，可靠导电性与组织匹配机械性能难以兼得的问题，研究人员开展了基于细菌纤维素（BC）模板诱导生长聚吡咯（PPy）导电渗流网络结合聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC）亲水网络构建水凝胶电极的研究，结果制备出兼具高导电性和低模量的水凝胶电极，为构建生物电子设备提供新途径。
在科技飞速发展的今天，生物电子领域正致力于实现生物组织与数字电子设备的可靠融合。想象一下，我们能够精准地记录生物信号，就像给身体安装了一个精密的 “信号捕捉器”，同时还能通过电刺激来治疗一些疾病，这将为医疗健康带来巨大的变革。然而，实现这一美好愿景的道路上却布满了荆棘。
传统的生物电极，像铂（Pt）、金等无机材料制成的电极，虽然有着不错的电子导电性和电化学稳定性，但在充满活力的动态组织环境里，它们就像 “格格不入的外来客”。由于刚性电极的弹性模量（E > 100 MPa）和富含组织液的柔软生物组织（E < 500 kPa）之间存在着巨大的机械性能差异，这种不匹配会引发一系列严重问题，比如组织损伤、界面分层、炎症以及纤维性包膜的形成。就好比把一块坚硬的石头放在柔软的面团上，面团肯定会受到伤害。
水凝胶，因其具有亲水性、柔韧性和生物相容性，被视为解决这一难题的 “希望之星”。但目前要制备出兼具优异电性能和强大机械特性的水凝胶，仍是一项艰巨的挑战。在水凝胶中引入导电成分是赋予其导电性的常用方法，比如无机盐离子、离子液体和导电填料等。可离子导电水凝胶存在离子电荷载流子迁移率低的问题，导致其导电性欠佳；而且电解质中的自由离子还可能扩散到周围组织，影响长期植入的效果。引入导电填料虽然能显著提高材料的导电性，可过多的疏水导电填料会降低水凝胶的含水量，大幅增加其模量，远远超出组织模量的范围，还会使导电通路的形成变得复杂。这就好像在一团柔软的棉花里加入过多的硬物，棉花不仅变硬了，内部的结构也变得混乱无序。
为了攻克这些难题，国内的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项关于基于细菌纤维素（BC）模板诱导生长聚吡咯（PPy）导电渗流网络结合聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC）亲水网络构建水凝胶电极的研究。经过不懈努力，他们成功制备出了一种具有低模量的 PPy@BC/PDMC 水凝胶电极。这种电极具有合适的导电性（135.75 S/m）和与生物组织一致的低模量（E = 288 kPa），还具备低界面阻抗、卓越的电荷存储和注入能力，在记录表皮电生理信号时，能获得比商业电极更高的信噪比。这一成果就像是为生物电子领域打开了一扇新的大门，为构建安全有效的生物电子界面提供了新的思路和方法，对于未来的生物电子设备发展具有重要意义，相关研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。
研究人员在开展这项研究时，运用了几个关键的技术方法。首先是制备 BC 水凝胶膜，这是后续实验的基础。然后通过在 BC 水凝胶中引入 PDMC 亲水网络，利用 BC 的三维纳米纤维网络结构作为模板，引导吡咯（Py）单体原位聚合形成 PPy 导电网络。在这个过程中，巧妙地利用了 BC 与 PPy 之间的相互作用以及 PDMC 对水凝胶性能的调节作用，从而实现了水凝胶电极性能的优化。
下面我们来详细了解一下研究结果。在设计和制备 PPy@BC/PDMC 水凝胶部分，研究人员发现，BC 的三维纳米纤维网络结构相比其他纤维素材料，更有利于构建纳米级导电通路。利用 BC 纳米纤维作为 Py 聚合和直接组装的模板，可以增强水凝胶的导电性。然而，PPy 的疏水聚合物链较脆，BC 的结合水含量较低，可能会对水凝胶的性能产生不利影响。于是，研究人员先在 BC 水凝胶中引入 PDMC 亲水网络来锁定水分，再进行 Py 的聚合，成功制备出了兼具高导电性和低模量的水凝胶电极。
在性能测试方面，该水凝胶电极展现出了优异的性能。其在低渗透阈值下就能实现导电渗流，具有高导电性（135.75 S/m）和良好的柔韧性（E = 288 kPa）。在电化学性能测试中，它表现出低界面阻抗和卓越的电荷存储及注入能力。在记录表皮电生理信号实验中，该水凝胶电极的信噪比高于商业电极，能够更准确地记录生物信号。
最后，对研究结论和讨论部分进行归纳。研究人员通过模板组装的方法，成功制备出了 PPy@BC/PDMC 水凝胶电极。这种方法为在水凝胶中高效组装导电网络以及制备性能优异的水凝胶电极提供了创新途径。该水凝胶电极具有良好的导电性、柔韧性和生物相容性，在生物电子界面领域具有广阔的应用前景。它不仅解决了传统生物电极与生物组织机械性能不匹配的问题，还为未来生物电子设备的发展奠定了基础，有望推动生物电子领域朝着更加安全、高效的方向发展。
