導(dǎo)語(yǔ)
魯雄教授簡(jiǎn)介
魯雄教授2004年畢業(yè)于香港科技大學(xué)，獲博士學(xué)位?，F(xiàn)就職于西南交通大學(xué)材料學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系。先后入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助計(jì)劃（2010），四川省杰出青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人資助計(jì)劃（2011），日本學(xué)術(shù)振興會(huì)博士后研究員（JSPS fellow, 2011-2013）。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，863 子課題，教育部新世紀(jì)人才基金，四川省杰出青年基金等項(xiàng)目多項(xiàng)。魯雄教授主要從事生物材料基因工程、生物材料計(jì)算模擬、生物醫(yī)用功能高分子凝膠材料設(shè)計(jì)與制備等方向的研究。相關(guān)研究結(jié)果在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文160余篇。近年來(lái)，魯雄教授課題組在新型生物材料材料設(shè)計(jì)與制備方面取得了一系列進(jìn)展，研究成果已先后發(fā)表于Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Material、Small、Chemistry of Materials等具有國(guó)際影響力的期刊上。
前沿科研成果
利用仿貽貝氧化還原活性的二維導(dǎo)電PEDOT納米片構(gòu)建可黏附生物柔性電子
圖1. 氧化石墨烯模板構(gòu)建二維導(dǎo)電聚合物PEDOT納米片
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
氧化石墨烯（GO）是一種具有大比表面積和含有豐富官能團(tuán)（如羥基、環(huán)氧基、羧基）的2D納米片，通常被用來(lái)作為無(wú)機(jī)材料自組裝的模板。然而，制備以GO為模板的導(dǎo)電聚合物PEDOT納米片存在以下難點(diǎn)。首先，PEDOT由于其氧化態(tài)的π-共軛噻吩環(huán)帶正電，因此PEDOT需要摻雜負(fù)電性基團(tuán)以平衡電荷。因此，必須用合適的官能團(tuán)修飾GO以充當(dāng)PEDOT的摻雜劑。其次，GO和PEDOT的官能團(tuán)之間的相互作用不足以在GO表面上誘導(dǎo)PEDOT組裝。為了克服這些問(wèn)題，魯雄教授課題組用兩步法對(duì)GO進(jìn)行功能化：1）在GO表面上引入磺酸基團(tuán)，作為PEDOT的摻雜基團(tuán)，制備磺化氧化石墨烯（SGO）；2）通過(guò)PDA功能化修飾SGO，將酚羥基引入SGO形成PSGO，增強(qiáng)與PEDOT之間的相互作用。同時(shí)，PDA能夠部分還原氧化石墨烯，增加了PSGO-PEDOT的導(dǎo)電率。因此PEDOT可以在PSGO模板上組裝形成導(dǎo)電的具有三明治結(jié)構(gòu)的二維納米片。重要的是，PSGO模板化的PEDOT（PSGO-PEDOT）納米片具有豐富的親水性和還原活性的酚羥基，因此將顯示出良好的水分散性和氧化還原活性。這種PSGO-PEDOT納米片由于富含大量的酚羥基，可以作為一種通用填料來(lái)制備超拉伸、導(dǎo)電和具有粘附性的水凝膠，并應(yīng)用在生物電子等領(lǐng)域。
圖2. PSGO-PEODT納米片的性能表征
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
該納米片具有“類(lèi)三明治”結(jié)構(gòu)。由于該納米片中富含大量的酚羥基，因此能夠在水溶液中長(zhǎng)時(shí)間均勻分散，并且具有較大的固體溶解度。另外，該納米片還具有良好的氧化還原活性，電導(dǎo)率可達(dá)到829.7 S/m，其彈性模量約11 GPa。
圖3. PSGO-PEDOT-PAM水凝膠的粘附性能
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
PSGO-PEDOT納米片能夠賦予水凝膠良好的粘附性，可以在粘附在不同物體表面，如陶瓷、金屬、塑料、新鮮果皮、新鮮組織等。另外，由于PSGO-PEODT納米片中酚羥基/醌基可以形成動(dòng)態(tài)氧化還原平衡，因此能夠賦予水凝膠持久可重復(fù)的粘附性能。
圖4. PSGO-PEDOT-PAM水凝膠的機(jī)械性能
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
PSGO-PEDOT-PAM水凝膠的機(jī)械性能優(yōu)于PSGO-PAM水凝膠的機(jī)械性能。由于石墨烯含有大比表面積和較為豐富的官能團(tuán)，可以與通過(guò)物理結(jié)合增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能。本研究發(fā)現(xiàn)，PSGO-PEDOT納米片更有利于改善水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，其對(duì)水凝膠具有出色的增強(qiáng)效果的原因是：首先，PSGO-PEDOT納米片具有比GO更強(qiáng)的彈性模量；其次，PSGO-PEDOT納米片上含有更加豐富的親水基團(tuán)，確保它在水凝膠基質(zhì)中均勻分散，達(dá)到增強(qiáng)水凝膠的效果；其次，PSGO-PEDOT納米片可以和PAM鏈之間形成非共價(jià)相互作用，起到能量耗散的作用，進(jìn)一步提高水凝膠的機(jī)械性能。
圖5. PSGO-PEDOT-PAM水凝膠的導(dǎo)電性及其應(yīng)用
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
PSGO-PEDOT納米片能夠很好地分散在水凝膠基體中，賦予水凝膠優(yōu)良的導(dǎo)電性。該導(dǎo)電水凝膠可以作為電子皮膚、生物傳感器、生物電極等測(cè)量人體夫人生理信號(hào)。另外， PSGO-PEDOT-PAM水凝膠中由于酚羥基的存在，該水凝膠還具有良好的生物相容性，可以作為植入電極測(cè)量動(dòng)物的在跳動(dòng)和咀嚼時(shí)候的腦電信號(hào)。
PSGO-PEDOT納米片由于具有良好的水分散性，能夠很好地分散在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，賦予水凝膠良好的導(dǎo)電性、超強(qiáng)機(jī)械性能、粘附性和生物相容性。PSGO-PEDOT納米片顯著改善了水凝膠的機(jī)械性能，這歸因于納米片本身的機(jī)械強(qiáng)度和納米片與聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)之間非共價(jià)相互作用的協(xié)同效應(yīng)。納米片具有酚羥基/醌基團(tuán)的動(dòng)態(tài)氧化還原平衡，這有助于水凝膠實(shí)現(xiàn)可重復(fù)和長(zhǎng)期粘附性。親水性導(dǎo)電性納米片很好地分散在水凝膠中，在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成連接良好的電子通路，并賦予其良好的導(dǎo)電性。PSGO-PEDOT-PAM水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和粘附性，已成功用作粘性電子皮膚，用于檢測(cè)ECG，EEG和EMG信號(hào)。PSGO-PEDOT-PAM水凝膠顯示出良好的生物相容性，可用作體內(nèi)生物信號(hào)檢測(cè)的可植入生物電極。簡(jiǎn)而言之，PSGO-PEDOT-PAM水凝膠作為高靈敏度生物傳感器具有巨大潛力，可用于人工智能，人機(jī)交互，可穿戴式個(gè)人醫(yī)療設(shè)備和植入式生物電子等領(lǐng)域。
該研究成果以“Graphene oxide-templated conductive and redox-active nanosheets incorporated hydrogels for adhesive bioelectronics”為題在線(xiàn)發(fā)表于Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201907678）。論文第一作者為在讀博士研究生甘東林和碩士研究生黃自強(qiáng)，論文的通訊作者為魯雄教授和謝超鳴副教授。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金，廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
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