PART1
研究背景
水凝胶具有显著的物理相似性和与生物组织的共形粘附性，被认为是理想的生物界面应用材料。然而，其低电导率特性限制了其在高性能软生物电子设备中的应用。尽管通过引入金属纳米材料或导电聚合物等导电填料可以提升电性能，但电性能通常仍保持在离子电导率范围内。水凝胶的低电导率主要源于高含水量，这阻碍了导电填料之间的载体运输。虽然高含水量具有机械优势（如低模量、单片结构集成），但它会降低电性能。在导电纳米复合材料中，为了实现高导电性，导电填料之间需要形成紧密的接触网络。然而，高含水量显著阻碍了水凝胶纳米复合材料中填料渗流网络的形成（图1a）。例如，由银片和聚丙烯酰胺-藻酸盐水凝胶组成的水凝胶纳米复合物，在部分脱水后表现出374 S·cm-1的高电导率；但，脱水前的电导率要低得多，约为0.128S·cm-1。在完全水合状态下，银箔无法建立无缝连接。导电聚合物，如PEDOT:PSS，是最常用的导电填料，因其渗流网络不易受到水分子的影响。然而，导电聚合物的导电性存在固有的局限性，远低于金属纳米材料。
PART2
研究成果
近日，韩国首尔国立大学Taeghwan Hyeon、Dae-Hyeong Kim及Seung-Pyo Lee合作报道了一种高导电性和可拉伸性的水凝胶纳米复合材料，其包含带须的金纳米片。通过将干燥的金纳米片网状结构，掺入湿水凝胶基质中制备而得。尽管含水量很高，但带须的金纳米片在水凝胶中保持了紧密的相互连接，即使在拉伸不足的状态下也能提供高质量的渗流网络。无论水凝胶基质的类型如何，金水凝胶纳米复合材料的电导率约为520S·cm-1，可拉伸性约为300%，需经过脱水处理。通过精确控制金纳米片的密度，能够将电导率达到≈3304S·cm-1的最大值。此外，还制备了一种金粘性水凝胶纳米复合材料，可以实现与运动器官表面的共形粘附，用于生物电子学演示。这种粘性水凝胶电极在体内心外膜电图记录、心外膜起搏和坐骨神经刺激方面表现出色，优于弹性体电极。
相关研究工作以“Highly Conductive and Stretchable Hydrogel Nanocomposite Using Whiskered Gold Nanosheets for Soft Bioelectronics”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
PART3
研究内容
研究者提出了一种顺序形成法，制备了具有高导电性和可拉伸水凝胶纳米复合材料（wAu-CSHs），该材料结合了带须金纳米片（W-AuNSs）的渗流网络（图1b）。首先构建W-AuNSs的干燥网络，然后将其嵌入水凝胶基质中。W-AuNSs结构有助于在湿水凝胶环境中维持无缝的电接触。因此，无论使用哪种水凝胶基质，wAu-CSHs都表现出异常高的导电性和可拉伸性。研究者选用了聚丙烯酰胺（PAAm）、聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯醇（PVA）作为水凝胶基质，分别制备了wAu-PAAm-CSH、wAu-PAA-CSH和wAu-PVA-CSH。此外，对wAu-CSHs进行了功能化，以增强其与生物组织的粘附，从而证明了其在动态体内环境中对软生物电子学的可靠适用性。
图1. 使用顺序形成法制造wAu-CSHs。(a) 导电水凝胶纳米复合材料低电导率的示意图；(b)导电水凝胶纳米复合材料（wAu-CSH）的示意图；即使在拉伸状态下，W-AuNS也会在湿水凝胶基质内建立渗流网络；(c) wAu-CSHs顺序形成方法的示意图；(d) wAu-PAAm-CSH的SEM图像；(e) wAu-PAAm-CSH的SEM-EDS图像；(f) wAu-PAAm-CSH在拉伸至300%拉伸应变之前和之后的光学图像；(g) wAu-CSHs与文献中报道的其他导电水凝胶的导电性和可拉伸性的比较。
图2. W-AuNS与顺序形成法的兼容性。(a) 拉伸前后wAu-PAAm-CSH的SEM图像；(b, c) 拉伸前后AgNW-PAAm-CSH (b)和AuNS-PAAm-CSH (c)的光学图像；(d) 干燥的W-AuNS网络、AgNW网络和AuNS网络的SEM图像和光学图像；(e) W-AuNS、AgNW和AuNS干网络中金属纳米材料的体积分数（n=6）；(f) wAu-PAAm-CSH、AgNW-PAAm-CSH和AuNS-PAAm-CSH的应力-应变曲线；(g) wAu-PAAm-CSH、AgNW-PAAm-CSH和AuNS-PAAm-CSH在拉伸应变下的电阻变化；(h) wAu-PAAm-CSH和AuNS-PAAm-CSH在30%应变下的R/R0（n=4）。
图3. wAu-CSHs的电气和机械性能。(a) wAu-CSHs（n=4）在50%应变下的电导率和R/R0；(b) 电导率变化随水浸泡时间的变化；(c) 拉伸应变下wAu-CSHs的R/R0；(d) wAu-CSHs和相应裸水凝胶的应力-应变曲线；(e) wAu-CSHs和相应裸水凝胶的模量和最大应变（n=4）；(f) 由压缩的干燥W-AuNS网络制成的wAu-CSH的制造工艺；(g) 由压缩的W-AuNS网络制成的wAu-CSHs的电导率和拉伸性。
图4. wAu粘合剂CSHs的制备和表征。(a) 粘附性水凝胶溶液的组成和wAu粘合剂CSH与组织之间粘附形成的示意图；(b) wAu粘合剂CSH（n=5）的电导率和拉伸性；(c) 具有支撑水凝胶层的wAu粘合剂CSH的应力-应变曲线；(d) 粘附在猪皮肤和心脏上的粘性水凝胶和wAu粘合剂CSH的光学图像；(e)粘性水凝胶和wAu粘合剂CSH（各4个）对猪皮和心脏的粘附强度和界面韧性；(f-h) wAu-SEBS和wAu粘合剂CSH的电化学性能；(i) wAu-SEBS和wAu粘合剂CSH（n=5）的电荷存储容量、1kHz阻抗和电荷注入容量。
图5. wAu胶粘剂CSHs的生物电子学应用。(a) 使用生物电极的体内实验示意图；(b-d) 放置在大鼠心脏(b)和坐骨神经痛(c)上的wAu粘附CSH电极的光学图像；即使轻轻拉动，wAu粘性CSH电极也仍然粘附在心脏(b)和坐骨神经(d)上；(e) 使用wAu SEBS和wAu粘附CSH电极记录心外膜电图；(f) 使用wAu-SEDS或wAu粘附CSH电极记录的心外膜电图的信噪比(SNR)；(g) 使用wAu-SEBS或wAu粘合CSH电极在心外膜起搏（0.7V，10ms，10Hz单相脉冲）下进行体表心电图记录；(h) 使用wAu-SEBS或wAu粘合CSH电极进行心外膜起搏的阈值电压（1ms，10Hz，单相脉冲）；(i) 使用wAu粘合剂CSH电极拍摄坐骨神经刺激（0.25V，1Hz，双相脉冲）下踝关节运动的图像；(j) 响应刺激电压（0.15-0.3V，1Hz，双相脉冲），使用wAu-SEBS或Au粘合剂CSH电极。
PART4
结论与展望
这项研究开发了一种制备高导电性和可拉伸水凝胶纳米复合材料（wAu-CSHs）的方法，通过将紧密结合的W-AuNSs的渗透网络分布在湿水凝胶基质中来实现。该制备方法适用于各种水凝胶，与之前开发的导电水凝胶相比，wAu-CSHs的导电性和拉伸性显著增强。此外，可以将粘附性结合到wAu-CSHs中，而不降低其电气和机械性能，从而实现了成功的体内电生理记录和电刺激演示。wAu-CSHs显示出作为下一代软生物电子高性能材料平台的巨大潜力。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202407931
