综述：十年的创新：PLA共聚物的合成、性能与应用

《Progress in Polymer Science》：A Decade of Innovation: Synthesis, Properties and Applications of PLA Copolymers

智能仿生传感器与可穿戴电子皮肤设计及性能优化研究 摘要： 本文针对柔性电子皮肤在智能仿生传感器中的应用需求，提出了一种基于石墨烯/聚离子液体（IL）复合材料的可穿戴电子皮肤设计方法。通过优化离子聚合物的微观结构与导电性能，结合3D打印技术实现多尺度仿生结构集成。实验表明，该电子皮肤在湿度敏感性和离子传输效率方面分别提升了42%和35%，同时机械 stretch达到15%以上。通过引入动态交联机制，实现了器件在500次弯折循环后的性能稳定性（导电性保持率>90%）。研究还发现，添加离子液体后，电子皮肤的光电响应灵敏度提高2个数量级，为可穿戴设备的光控传感提供了新思路。

　　离子聚合物在生物电子学领域的重要性日益增强，它们作为固态聚合物电解质、粘合剂和离子膜材料，已经被广泛应用于电池、电解器和燃料电池等能源设备中。近年来，离子聚合物更是成为开发新型生物医学技术的重要使能材料。本综述旨在收集和讨论离子聚合物在生物电子设备中的设计、合成和表征的最新进展。综述涵盖了正在开发的离子聚合物家族，包括聚离子液体（poly(ionic liquid)s）和聚共沸溶剂（poly(eutectic solvents)），以及离子凝胶家族，如水凝胶（hydrogels）、离子凝胶（iongels）和共沸凝胶（eutectogels）。从纯离子导体到混合离子电子导体的聚合物和凝胶也将被讨论。我们将深入探讨结构与离子导电性之间的关系，并概述这些新型导电材料当前和潜在的应用。离子聚合物是开发基础生物电子设备的关键材料，例如有机电化学晶体管（OECTs）、安培计数器（amperometric detectors）、可控释放装置（controlled-release devices），甚至具有颠覆性的神经形态计算（neuromorphic computing）。

生物电子学是一门跨学科的科学领域，其研究重点是开发技术以理解生物系统对外部刺激（如电、光、热、磁等）的反应，并利用这些相互作用开发传感器、执行器、筛选技术等。我们对自然界中离子和电子传输的理解，为新兴技术的发展奠定了基础，这些技术在早期疾病检测与治疗、人工器官开发、药物体外研究等领域取得了显著进展。这一领域的进步离不开来自不同学科的科学家之间的合作，包括化学、生物学、工程、电子和材料科学。由于生物信号主要依赖离子和电子的传输，能够实现混合传输的材料在生物电子学中具有高度的吸引力。纯电子传输是金属和无机材料的典型特征，而混合离子-电子传输和纯离子传输则是有机材料，特别是聚合物的关键特性，这些特性已经被证明特别适合与生物系统进行接口连接。此外，离子聚合物还具有可调的机械性能、易于合成和处理以及可扩展的加工和制造能力，这使得它们成为生物电子学的核心材料。

在过去的几十年中，离子聚合物在能源领域的应用取得了显著进展，推动了电池、燃料电池和电解器等设备的性能提升。一些应用已经逐步延伸到生物电子学，展示了它们在跨学科应用中的潜力。然而，尽管许多综述关注于离子导体在能源设备中的发展，大多数关于生物电子学应用的综述则更侧重于设备开发和工程，而非聚合物合成和膜加工。因此，我们决定填补这一空白，报告在此基础上用于生物电子学中离子聚合物合成的不同策略，包括纯离子导体和混合离子电子导体的聚合物和凝胶。首先，我们将简要回顾离子传输的基本原理和测量技术，然后将探讨离子聚合物和离子凝胶的设计趋势。综述的最后部分将总结基于离子聚合物材料的最相关生物电子技术。

离子传输是许多生物过程的基础，例如细胞被磷脂双分子层膜包裹，其中含有所谓的跨膜蛋白，这些蛋白负责选择性地运输离子，如钠离子（Na?）、钙离子（Ca2?）和钾离子（K?）进入和离开细胞。这种运输与生理过程密切相关，包括细胞迁移、细胞间通信、代谢和蛋白质合成等。因此，选择性地运输小分子离子是研究细胞膜特性的要求，也是模仿细胞结构的必要条件，或者用于触发局部反应。生物中的选择性运输是通过蛋白质上的特定结合位点实现的：当蛋白质接触特定离子或离子分子时，蛋白质折叠并将其运输过细胞膜。这种相同的静电相互作用也被用于药物输送：许多药物实际上是离子分子，例如激素、抗炎药物、止痛药等。它们的电荷使它们能够与细胞膜相互作用并促进其通过。较大的离子分子通常以溶剂化的形式进行输送，而不是以纯粹的分子形式进行，以避免聚集。为此，采用基于凝胶的基质。凝胶可以容纳大量溶剂，这会增加离子的移动性，并且溶剂可以与感兴趣的药物一起释放。离子的合成运输可以通过化学亲和力或通过具有选择性的离子/分子膜来实现，这些膜可以是被动或主动的。在被动膜中，离子的传输是由浓度梯度决定的，而在主动膜中，外部刺激（如光或电场）驱动离子的传输。许多因素影响离子通过膜的传输，从而影响传输效率：离子的电荷、反离子、离子/离子分子的尺寸、芳香族基团的存在、与膜成分的化学亲和力、膜的组成（如孔隙率、机械性能和水合能力）等。此外，当施加外部刺激时，需要考虑离子分子与刺激之间的可能相互作用，如光/电压响应性和光/电压驱动的降解，以及离子传输数，即每单位刺激（如每单位电子或每单位光子）传输的离子数量。所有这些因素共同影响了宏观可测量的量，即离子导电性，这是用来量化膜传输离子能力以及比较材料性能的常用参数。在本综述中，我们将报告纯离子导体以及在聚合物和凝胶中也显示电子导电性的混合离子电子导体。

离子传输的基础在于离子在聚合物本体中的传输能力。这比电子传输更为复杂，因为离子可以是多价的，可以形成簇，可以以不同的物种存在，并且可以通过静电相互作用进行交互。在聚合物中，离子传输的结果是多种过程的组合，如在溶剂化位点之间的跳跃、连续的溶剂化位点移动和扩散。离子聚合物在固态中的传输能力在锂离子电池等固态离子导体中被广泛研究，旨在提高设备的性能。然而，这些研究在生物电子学应用中仍较为有限。因此，需要扩展这些方法，以进一步加深对小分子传输基本原理的理解，以及提升生物电子学设备的性能。因此，移动离子在固态离子聚合物中的传输主要依赖于与固定离子的静电相互作用，这些相互作用决定了离子自由移动所需的激活能。在液态/凝胶态的离子聚合物中，离子的移动性依赖于材料的粘弹性，这主要受到温度的影响。确实，表现出凝胶态或交联的离子聚合物显示出比其固态对应物更高的导电性，这有助于段落动态并为离子传输提供替代路径（通过液体）。

在测量离子导电性方面，不同的技术可以被使用。我们报告了一些用于测量离子导电性的示意图，如图2所示。最常用的是一种电化学阻抗谱（EIS）技术，将感兴趣的材料夹在两个惰性电极（如不锈钢）之间，并施加一个10%调制的交流电压。交流电压可以避免反电极处离子的积累，这种积累会产生电容效应，从而影响最终的测量结果。通过改变极性，离子会相应地移动。测量结果称为奈奎斯特图（Nyquist plot），它报告了系统的阻抗的虚部（Im(Z)）与实部的关系。当材料是纯离子导体时，奈奎斯特图在Im(Z) = 0处的值被归因于离子通过材料时的电阻。因此，它可以被转换为离子导电性，包括几何参数如有效面积和厚度。虽然波德图（Bode plot）是另一种阻抗数据表示方法，但通常不用于评估离子导电性。对于纯离子导体，离子导电性可以通过恒电流/恒电位分析进行测量。在这种情况下，材料被用作分隔两个含有电解质的腔室的膜。在两个腔室之间施加电压会使离子通过膜移动，记录离子电流，并通过欧姆定律提取离子导电性。对于具有混合离子-电子导电性的系统，测量离子导电性并不直接，因为需要区分离子和电子的贡献。阻抗测量报告了混合导电性，尽管在某些情况下可以清楚地区分这两种，例如离子比电子移动得更慢。此外，电极上的法拉第反应进一步复杂化了这一情况，因此在混合导体中，离子导电性通常通过替代方法提取，例如通过光谱电化学。导电共轭聚合物在外部偏压下经历电化学掺杂，其中电解质中的离子被注入聚合物基质并生成离子-电子或离子-空穴状态。这种掺杂过程通过在能隙中引入状态改变了聚合物的光学性质，导致主吸收峰的抑制和长波长峰的生成。在研究系统中，没有其他过程会导致这种电致变色行为，因此更快的开关时间通常归因于更高的离子导电性。这种概念被称为光学移动前沿实验。

在测量离子导电性方面，还采用了其他技术，如原子力显微镜（AFM）相关的技术，但这些技术更适用于表面现象。例如，扫描离子电导率显微镜（SICM）通过在电化学探针的探针尖端使用含有探针的电解质来执行。一个参考Ag/AgCl电极与材料的研究电解质共享相同的电解质浴。通过测量随着探针位移而变化的离子电流，可以重建研究表面的离子电导率图。电化学应变显微镜（ESM）是另一种基于AFM的设置，它允许施加局部电场并同时记录探针的位移。当探针与基板接触时施加电压，如果电压导致离子进入材料，接触模式下的导电探针会发生位移，同时记录的位移与表面形貌变化相关。离子凝胶在这些技术中被广泛应用，因为它们可以保持电解质的离子传输能力，同时提供稳定的电化学环境。此外，SICM和其他基于AFM的技术与电化学相结合，可以提供在纳米尺度上研究离子传输的额外优势，尤其是对于有机混合离子电子导体（OMIECs）。

离子凝胶保留了离子液体（IL）的特性，如低可燃性和慢蒸发性，这些特性在晶体管等应用中尤为关键。然而，由于IL通常含有氟化和有毒的阴离子，这限制了它们在生物电子学中的应用。近年来，使用生物基离子组分和凝胶剂的离子液体已经被成功应用。例如，He等人提出了一种基于IL的墨水，用于数字光3D打印处理离子凝胶。苯乙酸酯被添加为可光聚合的单元，与PEGDA作为交联剂和[EMIM][DCA]作为IL以及PEGMA作为稳定剂结合。墨水通过数字光固化（DLP）3D打印处理，达到了5 μm的分辨率，获得了具有离子导电性达到S/m量级的离子凝胶。此外，该团队还开发了一种基于IL的多材料打印墨水。1-丁基-3-甲基咪唑??-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）与乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）共聚，1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）作为交联剂。最终的材料是一种光聚合的随机共聚物，其中阴离子被接枝到主链上，而阳离子则是自由移动的。尽管离子导电性不是非常高（10?2 S/m），但该材料成功地进行了3D打印，并与商用介电材料结合，制造了多传感压力传感器。在另一个有趣的贡献中，He等人提出了一种基于IL的寡聚物离子凝胶，其分子量可以控制，以避免在记录心电图（ECG）时穿透皮肤。他们专注于两性离子磷酸胆碱（PC），这是细胞外膜磷脂的头部基团，以其出色的水合能力而闻名。首先，通过共聚丙烯酰胺和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（P(AAm-co-MPC)）制备了可伸缩的水凝胶。然后，通过简单的干燥-膨胀过程将寡聚物的MPC嵌入水凝胶网络中。通过改变甲基丙烯酰氧乙基组分的分子量，可以获得不同尺寸的寡聚物。这种离子凝胶的离子导电性在70%相对湿度下可以达到1 S/m，而在含有IL的凝胶中，离子导电性可能更高。此外，离子凝胶还能够通过3D打印制造具有特定形状的材料，这为未来的生物电子学应用提供了更多的可能性。

共沸凝胶（eutectogels）是基于（深共沸溶剂）DES的凝胶，其液态成分是三种组分的混合物，其中每种组分的熔点都低于单独组分的熔点。共沸溶剂的定义是由Abbott等人提出的，用于Choline Chloride（ChCl，熔点302 °C）和Urea（熔点133 °C）的混合物，其熔点为12 °C。共沸凝胶的制备可以通过不同的策略进行。为了形成共沸凝胶，需要将引发剂、交联剂和单体混合到液态DES中，从而形成三维网络结构，其中嵌入了DES。共沸凝胶也可以通过低分子量凝胶剂（LMWG）的超分子相互作用形成。此外，共沸凝胶可以通过使用DES作为溶剂和单体（深共沸单体，DEM）来制备，通过聚合形成聚DES。一旦聚合，聚DES会失去液态，因此被称为干离子弹性体或聚DES。典型的DES混合物基于ChCl和羧酸组分，但它们的稳定性受到酯化反应的限制，这是一种在室温下发生在羧酸和ChCl的羟基之间的副反应，并且在高温下被促进。最近，Choline和Geranic Acid的混合物（CAGE）在经皮药物释放方面表现出显著的结果。CAGE是通过盐交换反应合成的，起始材料是丰富的天然离子，即ChCl和Geranic Acid。为了满足生物电子学和医疗应用的需求，CAGE共沸凝胶的机械性能得到了改善，通过添加Gelatin和Tannic Acid作为凝胶剂和交联剂，这些都是丰富的天然材料。它们是通过三步方法添加的，首先将Gelatin溶解到CAGE DES中，然后添加Tannic Acid，最后将溶液冷却到室温。然而，机械性能的提升是以离子导电性的降低为代价的，其离子导电性比纯CAGE DES（10?1 S/m）降低了1个数量级。其他人尝试通过添加PVA来改善DES的机械性能，通过加热单锅混合物，然后冷却。在这种情况下，由ChCl和EG组成的DES会改变其杨氏模量，但离子导电性仅略有下降，这可能是因为PVA形成的纤维网络不会减少共沸凝胶的移动相。合成方法用于增强共沸凝胶的韧性，如通过共聚物诱导的相分离。如报告所述，通过将丙烯酸（AA）和2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）共聚在Choline Chloride和甘油中，可以诱导宏观相分离和良好的离子导电性（10?2 S/m）。

在某些情况下，共沸凝胶的三组分都可以作为单体，这为通过光基3D打印制造共沸凝胶提供了可能性。Corrigan等人展示了通过可逆失活自由基聚合（RDRP）的数字光3D制造技术，这提供了对聚合物分子量分布和块共聚物形成的更高控制。因此，通过将NIPAM/AM共沸混合物与N,N-甲基双丙烯酰胺（MBAm）作为双功能交联单体以及Z连接的双RAFT剂（2,2′-(碳硫酰基双硫))双(2-甲基丙酸酸)（BisPAT）来调节链增长，制备了NIPAM/AM共沸混合物。然后，添加商业可用的光引发剂，通过3D打印处理聚DES共沸凝胶。动态机械分析（DMA）表明，当不添加RAFT剂时，混合物中存在两个不同的Tg，这清楚地表明了RAFT剂在微结构重排中的作用。在多乙烯基单体的无控制自由基聚合过程中，早期阶段会形成纳米凝胶，这些纳米凝胶无法进一步聚合，因此在网状结构中形成高度隔离的纳米凝胶。当存在RAFT剂时，早期聚合会产生低分子量分支聚合物，然后进行断裂，从而获得更均匀的凝胶，其中AM和NIPAM的域分布良好。凝胶的更高均匀性和更低的物理纠缠会生成具有低杨氏模量的弹性材料。该团队还展示了基于SLA-3D打印的共沸凝胶，其具有光响应性和按需溶解的特性。可聚合的共沸混合物由NIPAM、AAM和HEMA组成，MBAm作为交联剂，在55 °C下进行混合。然后，使用Spiropyran和广谱光引发剂进行光聚合，生成具有Spiropyran末端基团的交联凝胶。在UV照射下，记录到可逆的疏水-亲水行为。3D打印的结构在几分钟内完全溶解在甲醇中。

基于深共沸单体（DEM）的共沸凝胶的合成可以通过多种策略进行，如共价键合、共聚物诱导的相分离和表面自组装。共价键合可以通过将一个IL组分与共轭主链共价键合来实现，但这种方法的研究仍较为有限，通常会生成较硬的材料，这可能是由于π-π堆叠和结晶域的形成。IL可以作为聚合物化的溶剂，无论是电化学聚合还是化学氧化聚合。后者已被提出，但结果主要限于作为粘合剂的应用，因为现有的IL生物相容性较低。最后，共轭聚合物可以作为添加剂添加到IL中，同时与凝胶剂或交联剂结合，生成具有微域和宏观域的导电共沸凝胶。Del Agua等人首次提出了一种导电共沸凝胶，其由天然多糖（guar gum）、导电聚合物（PEDOT）和离子液体（IL）组成：1-丁基-3-甲基咪唑??氯化物（BMIMCl）。Guar gum共沸凝胶可以通过将PEDOT:guar gum复合物在guar gum作为稳定剂的情况下进行氧化聚合，然后通过冷冻干燥去除水分来制备。在第二步中，通过简单的热-冷处理将导电聚合物共沸凝胶与离子液体BMIMCl混合，生成导电共沸凝胶。这种导电共沸凝胶具有较高的离子导电性，甚至在70/30（左）和60/40（右）的PEDOT/IL配比下，离子导电性可以达到S/m量级，比DES和不含OMIEC成分的共沸凝胶高一个数量级。

离子凝胶和共沸凝胶通过解决水蒸发问题，克服了水凝胶的局限性，这使得它们在长期记录和药物输送方面具有优势。与水凝胶相比，离子凝胶和共沸凝胶具有更高的离子导电性，同时能够保持稳定的导电性。这些凝胶的合成策略仍然在不断改进，以设计一种能够同时作为溶剂和导电组分的单一可聚合单元，从而克服电子导电性的下降问题。此外，离子凝胶和共沸凝胶还具有良好的热稳定性和化学稳定性，这使得它们在生物电子学中具有更高的应用潜力。例如，离子凝胶可以通过调节IL的组成和含量，实现更高的离子导电性，同时保持良好的机械性能。共沸凝胶则可以通过调整DES的组成和含量，实现更高的离子导电性，同时保持良好的机械性能。这些材料的合成和表征为生物电子学领域提供了新的可能性，包括用于生物信号记录、药物输送、传感器和执行器等应用。

综上所述，离子凝胶和共沸凝胶在生物电子学中展现出巨大的潜力。通过调节离子液体和共沸溶剂的组成和含量，可以实现离子导电性和机械性能的平衡。此外，这些材料还具有良好的生物相容性和可加工性，使其在生物电子学中具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步探索这些材料在生物电子学中的应用潜力，特别是在长期植入式设备和生物信号记录方面。此外，随着合成方法的不断发展，离子凝胶和共沸凝胶在生物电子学中的应用将进一步扩展，为生物医学技术的发展提供新的材料基础。