自组装导电聚合物胶体的热可逆凝胶化：面向自适应生物电子的刺激响应材料

《Nature Communications》：Thermo-reversible gelation of self-assembled conducting polymer colloids

　　本研究针对传统导电水凝胶依赖不可逆共价交联的局限，开发了一种基于PEDOT:PSS-b-PNIPAM嵌段共聚物的热响应导电聚合物（TR-CP）。该材料在35°C下通过非共价交联在1分钟内实现完全可逆的溶胶-凝胶转变，形成导电水凝胶。其储能模量可调（20–200 Pa），具备pH/盐稳定性、自愈合性和生物相容性，并成功应用于表面肌电信号（s-EMG）电极。这项研究为可注射、可降解的智能生物电子器件提供了新策略。

　　

导电水凝胶因其模量与生物组织匹配、兼具离子/电子传导能力，在生物电子学中备受关注。然而，现有材料普遍依赖共价交联，导致凝胶化过程不可逆，限制了其在动态生物环境中的应用。例如，传统PEDOT:PSS（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐）水凝胶需通过化学交联剂或复合其他聚合物实现稳定性，但无法实现可逆的溶胶-凝胶转变。此外，已有研究报道的壳聚糖-明胶-PEDOT:PSS共混物在生理温度下仍为液态，难以在体内应用中保持形态稳定性。

为解决这些问题，特拉华大学Laure V. Kayser团队在《Nature Communications》发表研究，设计了一种本征热响应导电聚合物（TR-CP）。该材料以PSS-b-PNIPAM（聚苯乙烯磺酸盐-b-聚（N-异丙基丙烯酰胺））嵌段共聚物为模板，通过EDOT（3,4-乙烯二氧噻吩）的氧化聚合制备PEDOT:PSS-b-PNIPAM复合物。其核心创新在于利用PNIPAM的低临界溶解温度（LCST，约32–35°C）特性，在生理温度附近实现快速可逆凝胶化。

研究通过流变学测试证实，最优配方（PSS₉₆-b-PNIPAM₄₄₀，PSS:PNIPAM质量比1:2.3）在35°C时储能模量（G′）与损耗模量（G″）交叉，41秒内完成凝胶化，且经历10次热循环后性能稳定。凝胶的电子电导率在PBS中达14 mS·cm^?1，离子电导率高达200 mS·cm^?1。冷冻电镜（cryo-EM）和小角X射线散射（SAXS）显示，凝胶化机制源于胶体颗粒在LCST以上通过PNIPAM链间氢键形成双连续网络。

在生物相容性方面，TR-CP与藻酸盐复合后植入大鼠皮下2周，未见组织坏死或感染，仅引起轻微炎症反应，且凝胶体积保持稳定。此外，材料具备自愈合和可注射特性，可通过21G针头注入预热的藻酸盐溶液中形成导线状结构。团队进一步开发了基于TR-CP的s-EMG电极，其信号幅度较商用电极提升250倍，且器件可冷却后回收重用。

关键技术方法

研究通过RAFT（可逆加成-断裂链转移）聚合合成PSS-b-PNIPAM嵌段共聚物，并以之为模板氧化聚合EDOT制备TR-CP；利用流变学温度/时间扫描表征凝胶转变点与稳定性；通过电化学阻抗谱（EIS）和Debye电路模型分析电子/离子电导率；结合冷冻电镜与SAXS解析胶体自组装结构；采用ISO 10993-5标准进行L929成纤维细胞间接/直接接触实验评估体外细胞毒性；通过大鼠皮下植入模型开展体内生物相容性研究。

研究结果

1. TR-CP的设计、合成与流变学特性

通过调控PSS与PNIPAM嵌段比例，发现PSS₉₆-b-PNIPAM₄₄₀在35°C时呈现典型溶胶-凝胶转变，凝胶化时间仅41秒（37°C）。浓度从3.6 wt%增至5.6 wt%时，储能模量从20 Pa升至200 Pa，且凝胶在pH 3–12及PBS中均保持稳定性。

2. TR-CP的电子性能

EIS分析表明，凝胶态电子电阻（R_e）较液态下降50%，最佳配方（SS:NIPAM:EDOT=3.5:16:1）在PBS中总电导率达10.4 mS·cm^?1。通过调节PEDOT负载量（SS:EDOT摩尔比3.5:1至1.75:1）和TR-CP浓度，可优化导电通路密度。

3. 微观结构与凝胶化机制

冷冻电镜显示，低于LCST时TR-CP形成核壳结构胶体（PEDOT:PSS核直径约4.7 nm，PNIPAM壳厚0.9 nm）；高于LCST后胶体聚集为网格尺寸约50 nm的双连续相。SAXS进一步证实凝胶化后颗粒间距从12.2 nm缩至5.8 nm。

4. 体外与体内生物相容性

间接接触实验中，L929细胞在TR-CP提取液中存活率>84%（2天）和>89%（7天）。直接接触实验显示，TR-CP/藻酸盐复合凝胶中细胞存活率>95%，且皮下植入后组织界面无坏死，仅伴轻微炎症细胞浸润。

5. 加工性与s-EMG应用演示

TR-CP可通过滴铸或注射成型加工，并在PDMS微腔中制成s-EMG电极。该电极在记录手部握拳动作时信噪比显著优于商用Ag/AgCl电极，且可冷却后回收重用。

结论与展望

该研究通过分子设计实现了导电水凝胶的可逆凝胶化，突破了传统共价交联材料的局限性。TR-CP的快速响应、可注射及生物相容性为动态生物电子界面（如神经记录、心脏监测）提供了新思路。未来可通过引入功能化嵌段（如粘附性、生物降解性）进一步拓展其在精准医疗与软体机器人中的应用潜力。