江西科技师范大学卢宝阳Journal of Colloid and Interface Science：电聚合构筑粘附性导电PEDOT-MeOH:PSS/PDA神经生物电子界面应用于植入式神经微电极
关键词：神经生物电子界面、导电聚合物、粘附、电聚合、植入式微电极
导电聚合物由于具有卓越的生物相容性、电学性能和机械性能有望广泛应用于神经生物电子界面，例如深部脑刺激与记录等。然而，目前导电聚合物基神经生物电子界面仍然存在制备过程复杂、界面粘附力弱、长期保真度和稳定性差以及微加工成本高等挑战和局限性，这些挑战严重阻碍了神经生物电子界面广泛的实际应用和市场化。
近日，江西科技师范大学卢宝阳教授团队通过简单的两步电聚合开发了一种粘附强且长期稳定的导电聚合物神经界面方法。该方法将聚多巴胺 (PDA) 作为粘合中间薄层首先进行预聚合，然后将羟甲基化 3,4-乙烯二氧噻吩 (EDOT-MeOH) 与聚苯乙烯磺酸盐 (PSS) 采用电聚合的方法形成稳定的互穿 PEDOT-MeOH:PSS/PDA网络。所制备的 PEDOT-MeOH:PSS/PDA 界面对金属电极的界面附着力显着提高，尽管在剧烈超声处理20 分钟后仍然显示出 93% 的面积保持率，这是迄今为止最粘附性的导电聚合物界面之一。采用该设计轻松地将粘附性 PEDOT-MeOH:PSS/PDA 界面构筑到超小型 Pt-Ir 线微电极（直径：10 μm）上。界面修饰后的植入式微电极表现出比商业产品低两个数量级的阻抗，并且长期稳定性也显著优于之前所报道的工作。PEDOT-MeOH:PSS/PDA 界面微电极在持续 10,000,000 个双相输入脉冲周期后，电荷注入容量保持率高达 99.5%。有了这些发现，所采用的加工技术构筑高性能且长期稳定的神经生物电子界面，将来可能会为神经科学研究和脑控智能化等尖端临床应用提供强大的加工集成策略。相关研究成果以“Design of adhesive conducting PEDOT-MeOH:PSS/PDA neural interface via electropolymerization for ultrasmall implantable neural microelectrodes”为题发表于《Journal of Colloid and Interface Science》期刊。
图文摘要
神经生物电子界面设计与制备：
能够实现长期稳定应用的粘性导电神经电极界面对生物医学甚至临床应用至关重要。然而，电沉积的纯PEDOT:PSS神经接口普遍不稳定，表现为接口的分层和开裂，严重阻碍了其快速创新和实际应用（图1a）[16,21,26]。为了克服这一障碍，我们以前的工作报告了一个简单而有效的策略，即引入一个可加工的亲水聚氨酯的中间粘合剂纳米层。虽然这种方法可以大大增强导电聚合物在潮湿的生理环境中的界面粘附力，但它仍然无法实现轻松的微细加工和集成到多通道的超小线微电极，以及长期的可靠性和稳定性，足以满足神经研究的要求。
为了进一步提高界面粘附性能，并适用于方便的微加工和集成。作者认为通过电聚合等可控技术在导电聚合物薄膜和金属微电极之间合理设计强粘附层界面可能是最好的方法之一。因此，作者们提出了一种两步电聚合策略来构建长期稳定应用的粘性导电聚合物神经界面（图1b）。其中，多巴胺实现可控电聚合在裸Pt金属电极上形成粘附性的聚多巴胺（PDA）薄膜，然后对PEDOT-MeOH薄膜进行二次电沉积，最终获得PDA和PEDOT-MeOH的互穿聚合物网络（图1c）。在这样的网络中，PDA薄层显示出特殊的功能，如自聚合、锚定能力和特殊的识别能力，而PEDOT-MeOH功能化的羟甲基基团可以形成多个分子间/跨分子的氢键，有可能增强界面粘附力和内聚力。
图 1 粘附性导电PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面的设计。
粘附性界面基本机制：
为了理解PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面的形成（图2a），作者根据电化学聚合过程，第一个氧化步骤是儿茶酚氧化为醌（O1），然后发生环化，最后由亮多巴胺铬到多巴胺铬（O2），实现电化学氧化聚合获得了高度交联的PDA薄膜（图2b）。此外，EDOT-MeOH单体通过阳极氧化被触发形成阳离子自由基，两个阳离子自由基在去质子化后被耦合形成二聚体。然后二聚体被重新氧化并与另一个阳离子自由基耦合，实现链生长和聚合物薄膜的沉积（图2c）。由于PDA和PEDOT-MeOH:PSS具有丰富的羟基官能团，在二次电沉积过程中可以通过分子间/跨分子氢键形成相互渗透的聚合物网络，在二次电沉积过程中有可能有效地增强界面粘附力和凝聚力（图2d）。
图 2 互穿PEDOT-MeOH:PSS/PDA导电界面。
机械性能：
所设计的强粘粘附性界面有效地延长了电极的耐久性和寿命。通过剧烈超声测试用于评估粘附性导电界面的机械稳定性。通过连续超声测试达到界面剪切的效果来验证PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面在Pt基底上的粘附性。研究表明，经过在20分钟的超声处理后，没有粘附性PDA夹层的电极界面存在分层现象，只保留了51%的原始面积。相反，PDA和PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面电极面积保留率分别高达88%和93%（图3b）。强烈的超声处理评估表明，修饰后的粘合界面具有良好的机械稳定性（图3a，c），为植入式神经生物电子界面的长期稳定应用提供了有效策略。
图 3 用于评估神经生物电子界面的机械稳定性的超声处理。
电化学性能：
在超小型Pt-Ir线微电极上实现强附着力且电化学性能优异的神经生物电子界面在实际应用中非常重要。作者基于PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面出色的机械稳定性，通过采用两步电聚合技术，将该界面进一步集成在直径仅为10 μm的超小Pt-Ir线微电极上（图4a）。通过双相输入脉冲测试评估PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面在Pt-Ir线微电极上的电化学性能（图4b）。从图4c、d可以看出，修饰有PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面的Pt-Ir微电极的界面阻抗（622Ω）比裸Pt-Ir线（11,180Ω）低两个数量级的阻抗，极大地满足了神经信号记录和刺激的电化学要求。
图4. 不同聚合物界面（即PDA、PEDOT-MeOH:PSS和PEDOT-MeOH:PSS/PDA）在超小Pt-Ir线微电极上的电化学特性。
长期稳定性：
神经电极接口的长期稳定性是影响神经电极接口安全性和实用性的另一个关键因素。双相输入脉冲过程模拟了电刺激过程中可逆的电子注入/射出（图5a）。作者选择电生理安全的常用输出电流 （< 100 μa）作为参考电流用于局部场电位的长期在体记录研究。作者集成并构筑PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面在Pt-Ir线微电极，表现出出色的长期稳定性。该电极界面经过10,000,000次双相输入脉冲刺激后CIC值变化小于0.78%，这明显优于PEDOT:PSS修饰的微电极（9.97%）和裸Pt-Ir线微电极（6.80%）（图5a-c）。
此外，此类神经微电极界面被广泛地用EIS进行研究，在1000 Hz时PEDOT-MeOH:PSS/PDA微电极界面的阻抗（707 Ω）较为稳定几乎不变化（0.28%），而且也比Pt-Ir线微电极（11187Ω）低16倍（图5d, e）。为了进一步研究PEDOT-MeOH:PSS/PDA界面的基本机制，作者对界面修饰的Pt-Ir线微电极进行了EIS分析与等效电路拟合，并且拟合度为8.986×10-5（图5f）。通过两步电聚合策略构建导电聚合物界面，有望实现长期稳定的神经记录与刺激应用。
图5. 应用于不同界面修饰的Pt-Ir线微电极的电化学长期稳定性。
该研究工作由江西科技师范大学柔性电子创新研究院完成，硕士生田发娟、余佳文为论文共同第一作者，卢宝阳教授为通讯作者。
通 讯 作 者 简 介：
卢宝阳，教授、硕导，山东大学博士、麻省理工学院博士后，“江西青年五四奖章”获得者，入选省“双千计划”科技创新高端人才（青年）项目、省主要学科学术与技术带头人培养计划、省杰出青年人才资助计划、省“百人远航工程”。曾荣获第五届中国青少年科技创新奖、全国优秀共青团员、中国大学生自强之星等荣誉。作为骨干成员获省自然科学奖一等奖1项、三等奖1项，省高校科技成果一等奖2项、三等奖1项。主持国基3项。主要致力于柔性（可弯曲、可拉伸、自修复等）功能聚合物和其光电器件研究，及在能源转化（电致变色）、生物电子或环境传感等领域的应用。以第一、共同第一或通讯作者身份发表SCI收录论文70余篇，其中影响因子10以上5篇，影响因子5.0以上31篇，ESI热点论文1篇、高引论文2篇；与他人合作发表SCI收录论文50余篇；申请美国、中国发明专利30余项，授权发明专利10项。
原文信息：
Tian F, Yu J, Wang W, et al. Design of adhesive conducting PEDOT-MeOH: PSS/PDA neural interface via electropolymerization for ultrasmall implantable neural microelectrodes[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 638: 339-348.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.01.146
来源：柔性电子创新研究院
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撰稿人：田发娟
校稿人：卢宝阳、余佳文
稿件编辑：田发娟
