上海大学朱波教授团队联合东华大学在Applied Surface Science上发表研究文章：具低阻抗、生物抗污、电化学耐受的高强度导电高分子电极
近期，以卞永俊为第一作者，上海大学朱波教授团队联合东华大学在爱思唯尔创办的期刊Applied Surface Science上发表研究文章：具低阻抗、生物抗污、电化学耐受的高强度导电高分子电极。本文针对聚-3,4乙烯二氧噻吩（PEDOT）导电高分子材料机械强度差、易发生非特异性生物粘附等问题，设计了全新的功能化PEDOT电极材料，通过在材料表面富集表达两性离子基团，有效抵御蛋白/细胞的非特异性粘附；同时仿生贻贝足丝蛋白结构引入多巴胺基团（DOPA）,有效提升材料的机械稳定性。与传统导电到分子材料相比，所制得的功能化PEDOT表现出极优异的界面粘附性能与内聚强度，可以耐受胶带粘附测试、20小时超声测试，同时具有极好的湿态剪切强度。此外，利用该材料制备电极，在生理环境中施加24小时电刺激后，电极几乎不损伤电化学性能。
一、研究内容
1、多巴胺功能化PEDOT的制备
以羧基功能化EDOT为起始物，化学合成了多巴胺功能化的EDOT单体（EDOT-DA），并通过电化学聚合技术，制备得到了PEDOT-DA涂层。与未功能化、羧基功能化PEDOT相比，所制得的PEDOT-DA涂层具有极优异的干、湿态机械稳定性：可以耐受3M透明胶带粘附测试；液相剪切强度较其他PEDOT涂层提升4倍；300W超声20小时后涂层完全不脱落（图1）。
图1 (a)-(b) 不同PEDOT涂层的3M胶带粘附测试；(c) 不同PEDOT涂层的液相剪切强度；(d)-(g) 不同PEDOT涂层的超声测试结果
2、功能化PEDOT共聚物涂层的制备及组成调控
进一步利用乳液电化学聚合技术，共聚引入磷酸胆碱功能化PEDOT单体（PEDOT-PC），制备得到功能化PEDOT共聚物涂层。通过调节单体投料比，可以实现涂层组成的可控调节。同时研究了不同组成涂层的生物抗污效果，可以发现，在EDOT-DA投料比低于25%时，涂层可以表现出较好的抗非特异性蛋白/细胞粘附效果（图2）。
图2不同EDOT-DA投料比下(a) 涂层中PEDOT-DA的含量及(b)涂层的水接触角；不同EDOT-DA投料比下涂层对(c) BSA蛋白、(d) NIH3T3、(e) PC12细胞的抗粘附效果；(f) NIH3T3、(g) PC12细胞在涂层上的粘附照片。
3、功能化PEDOT共聚物的机械强度
同时，研究了功能化PEDOT共聚物涂层的生物防污稳定性与机械稳定性。与未功能化PEDOT相比，共聚物涂层在BSA溶液中浸泡5小时后电化学阻抗未发生明显变化，证明了涂层的生物防污稳定性效果。同时，共聚物涂层的液相剪切强度为PEDOT的3倍，且耐受20小时超声测试后无明显损伤，证明了其优异的机械强度（图3）。
图3 (a) PEDOT涂层和(b) 功能化PEDOT共聚物在BSA溶液中电化学阻抗随时间的变化；(c) PEDOT、PEDOT-PC及功能化PEDOT共聚物涂层的液相剪切强度；(d)-(g) PEDOT、PEDOT-PC与功能化PEDOT共聚物涂层的超声测试结果；(h) 金（黑色）、PEDOT（蓝色）、功能化PEDOT共聚物涂层在溶液中质量变化。
4、功能化PEDOT共聚物对长期电信号刺激的耐受性
最后，探究了功能化PEDOT共聚物涂层在长期电刺激条件下的稳定性。在PEDOT-PC与功能化PEDOT共聚物涂层上施加电刺激信号，并监测涂层外观与电化学阻抗的变化。可以发现，PEDOT-PC涂层逐渐破损，且电化学阻抗逐步升高。而功能化PEDOT共聚物涂层外观与电化学阻抗均保持不变（图4），证明了涂层可耐受长期电信号刺激。
图4 (a) PEDOT-PC与(b)功能化PEDOT共聚物电极在电刺激信号下外观与电化学阻抗的变化情况；(c) 电刺激过程中， PEDOT-PC与功能化PEDOT共聚物100Hz下电化学阻抗的改变。
5、总结
通过电化学共聚合磷酸胆碱与多巴胺改性的PEDOT单体，可以制得兼具优异抗蛋白/细胞非特异性粘附与机械稳定性的电极材料。该技术可以解决目前导电高分子基生物电子器件液相机械稳定性弱、易粘附非特异性生物分子等技术瓶颈，推进导电高分子材料的体内应用。
第一作者：卞永俊，上海大学与东华大学材料科学与工程学院联合培养硕士研究生。
通讯作者：上海大学朱波、耿志；东华大学张耀鹏、何勇
该研究获国家自然科学基金（22175111, 21474014，21704013， 52173031）、中国博士后基金（2017M611416）、上海市学术技术带头人计划(20XD1400100) 的支持。
Bian, Yongjun; Pan, Qichao; Zhu, Yicheng; Liang, Jia; Zhang, Yuhan; Zhang, Yaqiong; Zhang, Shouyan; Qian, Sihao; Geng, Zhi*; You, Zhengwei; Cieplak, Maciej; Sharma, Piyush S; Zhang, Yaopeng*; He, Yong*; Zhu, Bo*，Durable Conducting Polymer Electrodes Pursue Low Impedance, Antifouling, and Electrochemical Stress Tolerance，Applied Surface Science, 2023, 621, 156902.
来源：朱波教授课题组主页： https://organic-electronic.shu.edu.cn
https://zhuanlan.zhihu.com/p/648669497
原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433223005780
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156902
