宾大突破可拉伸导电塑料，柔性植入医疗设备迎来革新

宾夕法尼亚州立大学化学工程教授恩里克·戈麦斯表示，一种可拉伸、导电的塑料有望为下一代植入式生物医学设备提供动力，例如更耐用的起搏器或葡萄糖监测仪。

戈麦斯及其团队利用先进成像技术，对一种常用于软机器人和触摸屏的可拉伸材料——聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）进行了研究。他们发现，添加不同的盐添加剂和水，能使这种材料生长出类似毛发的纤维，从而有效传导电流。研究人员近期将研究成果发表于《自然·通讯》期刊，他们指出，对这种塑料进行微小的化学调整，就能对其物理特性和导电性产生重大影响。

传导电子的同时，感知人体离子电流

戈麦斯解释道，研发生物相容性设备面临的主要挑战之一，是平衡计算机与人体传输电流的不同方式。尽管人体和计算机都能传导电流，但二者的传导机制存在本质差异。

“我们的神经和神经元通过离子电流在体内传输电信号，这种电流本质上是由体内的盐和离子混合物构成的电路，”戈麦斯说道，他同时担任宾夕法尼亚州立大学工程学院公平与包容副院长，“计算机则通过电子在金属导线和硅半导体中的流动来传导电流。PEDOT:PSS是一种极具特殊性的材料，它既能传导电子，又能对体内已有的离子电流保持敏感。”

戈麦斯表示，尽管这种材料用途广泛，但研究人员尚未完全弄清其工作原理。为了深入探究，他的团队使用了一种高度先进的显微镜技术——冷冻电子显微镜（cryo-EM）来观察这种凝胶状塑料。与传统显微镜通过透镜聚焦光线放大图像不同，冷冻电子显微镜利用电子流，能够以目前可能达到的最高分辨率之一观察材料。

“这些是世界上最先进的显微镜之一，可用于成像病毒、蛋白质和聚合物等物质，而这些正是我们宾夕法尼亚州立大学的专长领域，”戈麦斯说，“我们正处于显微镜技术的革命之中，这些设备能让我们以极高的细节水平观察材料。”

盐添加剂增加纤维数量，提升导电性

研究团队将一小滴这种材料包裹在一层极薄的纳米级薄膜中，薄膜厚度仅为人类头发直径的一小部分。他们重复这一过程多次，并通过添加不同类型的盐，对每个样本的化学成分进行微小调整。随后，他们将样本投入温度保持在-180摄氏度的液态乙烷中——这一温度略高于月球夜间表面温度。这样做是为了确保材料样本不会在电子产生的高温下被烧毁，并让研究团队能够观察不同的盐添加剂如何影响材料中的离子和电子传输。

通过冷冻样本并在原子层面进行观察，研究团队发现，凝胶的分子结构（更具体地说，是盐添加剂的存在）对其多功能性起着关键作用。在这种材料内部，胡须状的纤维有助于传导离子和电子。添加了盐的样本显示出更多的纤维，进而提升了材料的导电性。

水增强材料拉伸性

为了进一步了解这种材料，研究团队对比了添加和未添加吸收水的样本。当有水存在时，会软化PEDOT:PSS并使其更具拉伸性。研究人员还发现，添加锂盐能增加材料的吸水率，进一步增强其拉伸性。然而，无论盐含量如何，干燥状态下的PEDOT:PSS都会变得脆弱，这凸显了水在决定材料机械特性以及盐添加剂如何增强这些特性方面的关键作用。戈麦斯表示，由于吸水率对导电性的影响很小，PEDOT:PSS能够实现新兴生物电子设备所需的“高拉伸性与稳定导电性”的出色结合。

戈麦斯指出，这种“盐添加剂对塑料结构和拉伸性起到模板作用”的现象，此前从未被观察到。

“即使向材料中加入水，纤维依然会保留在结构中，”戈麦斯说，“我们认为，这就是我们能够在用水将材料膨胀成可拉伸的凝胶状质地（便于与生物系统对接）的同时，依然保持盐添加剂带来的导电性的原因。”

展望未来，该团队计划继续对PEDOT:PSS进行研究和成像。戈麦斯表示，关于盐添加剂如何影响材料上纤维的形成、这种材料的工作原理以及其最佳应用场景，仍有许多问题有待探索。

“我们目前还不完全了解这些盐与聚合物材料之间的相互作用，”戈麦斯说，“弄清这种关联将使我们能够进一步优化这种塑料，并极大改进起搏器、表皮传感器以及肌电图检查（一种用于评估神经和肌肉功能的检查方法）。”

其他宾夕法尼亚州立大学相关的合著者包括：化学工程沃尔特迈耶中期职业生物技术教授、化学工程系副主任埃丝特·戈麦斯；化学工程博士后研究员马苏德·加塞米、法沙德·纳扎里和约书亚·T·德尔·蒙多；化学工程博士研究生蓝奕辰（音译）和赖柏豪（音译）；材料工程博士研究生路易斯·Y·柯克利；化学博士研究生穆罕默德·K·R·阿尔达杜赫；以及哈克生命科学研究所副教授赵成铉（约瑟夫，音译）。

其他合著者包括爱荷华州立大学机械工程教授巴斯卡尔·加纳帕蒂苏布拉马尼亚姆，以及爱荷华州立大学机械工程博士研究生德鲁夫·甘达。这项研究得到了美国国家科学基金会、海军研究办公室和国家卫生研究院的支持。