基于电刺激对组织修复的促进作用，具有导电性和生物相容性的导电生物材料是组织工程领域目前的研究热点之一，而兼具良好透明性的该类材料还可以实现目标细胞及组织的实时观测、光治疗等。丝素蛋白（SF）材料具有优异的力学性能、生物相容性、生物可降解性。基于其溶液制备的再生丝素蛋白（RSF）膜力学性能优良，氧渗透率好，在可见光透过率超过90%，是一种理想的生物材料基体，可与碳基材料、导电该分子材料等复合制备透明导电生物材料。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）作为一种新型导电高分子材料，导电性突出，界面阻抗小，环境稳定性与生物相容性良好，并且在其氧化态也表现出可见光区域的高透明度，十分适合作为透明导电生物材料的功能体。但PEDOT在RSF表面的改性复合难以精确控制，无法形成兼具良好的导电性、透明性及基体与导电层间牢固的粘结性的导电层。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室的张耀鹏教授与上海大学的朱波教授、上海交通大学附属第六人民医院的宋鲁杰主任医师合作，基于加入十二水烷基硫酸钠（SDS）胶束结构的水相环境，开发了用于化学氧化聚合沉积工艺的复合氧化剂（FeCl3及(NH4)2S2O8）配方，在RSF膜表面成功沉积了结构均匀的聚（羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT-OH）纳米导电层，丝素蛋白膜表现出良好的导电性、透明性及基体与导电层间的粘附性。相关研究成果日前发表于《美国化学会生物材料科学与工程》（ACS Biomaterials Science& Engineering）（Transparent Conductive Silk Film with a PEDOT−OH Nano Layer as an Electroactive Cell Interface）。论文第一作者为东华大学博士生庄奥，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授、上海大学朱波教授、上海交通大学附属第六人民医院宋鲁杰主任医师。
图1 （a）RSF膜和复合氧化剂体系制备的RSF/PEDOT-OH膜的紫外可见吸收光谱；（b）RSF膜和RSF/PEDOT-OH膜的数码照片及后者横截面的光学显微图片；（c）RSF/PEDOT-OH膜连接的LED灯电路及其在不同颜色的背景下的透明性展示
该研究采用了较PEDOT单体水溶性更佳的羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT-OH）作为单体，通过FeCl3及(NH4)2S2O8组成的复合氧化剂体系引发水溶液中EDOT-OH的聚合并沉积在RSF表面。基于表面活性剂SDS在水中形成的胶束结构及其与FeCl3的络合作用，优化了生成的PEDOT-OH的结构，利于其在RSF膜表面的沉积；(NH4)2S2O8作为第二氧化剂，促进了来源于FeCl3的Fe3+再生，避免了低FeCl3用量时的导电层缺陷；来源于FeCl3的阳离子与来源于(NH4)2S2O8的阴离子插入溶液中的PEDOT-OH后形成的分子间及分子内静电吸引力避免了过厚的导电层沉积。最终在RSF表面沉积了具有良好导电性和透光性的纳米级PEDOT-OH层，这种导电层在传统的单一氧化剂体系中很难构建。同时水溶液中的SDS胶束也会使PEDOT-OH导电层在RSF上具有较强的粘附性。
图2 复合氧化剂体系的超薄导电层的构筑示意图
该RSF/PEDOT-OH膜的表面方块电阻Rs可达5.12×104 Ω/sq，对应电导率为8.9×10-2 S/cm，同时在湿态下其可见光范围的最大透过率超过73%。所制备的薄膜具有比通过旋涂得到的RSF/聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）薄膜更强的界面附着力，优异的电化学稳定性，及良好的生物相容性。相比纯RSF膜，RSF/PEDOT-OH膜更利于在其表面生长的大鼠嗜铬细胞瘤细胞（PC12）的粘附和分化，并且基于PEDOT-OH透明导电层成功实现了对PC12细胞的电刺激培养和实时观察。
图3 大鼠嗜铬细胞瘤细胞（PC12）在RSF、RSF/PEDOT-OH导电薄膜上经神经生长因子（NGF）或电刺激诱导后的光学显微照片，轴突长度分布图及细胞活死染色图
原文链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01665
