DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202415687
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40296300
تاريخ النشر: 2025-04-28
المؤلف: Stephen J. K. O’Neill وآخرون
الموضوع الرئيسي: البوليمرات الموصلة وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتطوير الهيدروجيلات المقاومة ميكانيكيًا التي تدمج خصائص النقل المختلط للأيونات والإلكترونات، مما يربط بفعالية الأنظمة البيولوجية بالتطبيقات الإلكترونية. من خلال دمج البوليمر الموصل الذاتي التدوين المحب للماء S-PEDOT في إطار هيدروجيل فوق جزيئي، تحقق الدراسة شبكة متجانسة تعزز بشكل كبير الخصائص الميكانيكية والموصلية. تظهر الهيدروجيلات الناتجة قوة مذهلة (620 كيلوجول م$^{-3}$)، وقابلية تمدد (>1000%)، ونعومة (10.5 كيلو باسكال)، وموصلية (5.8 سيمنز سم$^{-1}$)، متفوقة على الهيدروجيلات التقليدية المعتمدة على PEDOT:PSS. تؤدي هذه التكامل المتجانس إلى تحسين سعة حقن الشحن وتقليل مقاومة الجلد، مما يجعل هذه المواد مناسبة للواجهات البيولوجية الإلكترونية المتقدمة.
تشير النتائج إلى أن الدمج المتجانس لـ S-PEDOT داخل شبكة فوق جزيئية، التي تسهلها الروابط المتقاطعة ذات الألفة العالية بين المضيف والضيف، يسمح بإنشاء أجهزة إلكترونية قابلة للجفاف بالكامل وقابلة لإعادة التبلل. لا تعزز هذه الابتكارات فقط قابلية الاستخدام والتعامل مع الهيدروجيلات الموصلة، بل تفتح أيضًا آفاقًا لمزيد من التعديلات الجزيئية لتحسين المحبة للماء ومستويات التدوين الذاتي. تقترح الدراسة أن مثل هذه التقدمات يمكن أن تؤدي إلى تحسينات كبيرة في قدرات النقل المختلط للأيونات والإلكترونات والأداء الميكانيكي، بينما توسع أيضًا التطبيقات الوظيفية للهيدروجيلات الموصلة في البيولوجيا الإلكترونية، بما في ذلك القابلية للتحلل الحيوي، وإعادة التدوير، وتوصيل الأدوية المبرمج.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية الواجهات البيولوجية الإلكترونية التي تدمج الأنظمة البيولوجية مع المكونات الإلكترونية، وهو أمر أساسي لتطبيقات مثل الزرعات الطبية والأطراف الاصطناعية العصبية. تشمل المتطلبات الرئيسية لهذه الواجهات خصائص ميكانيكية متينة للتكامل البيولوجي على المدى الطويل ومواد تسهل النقل المختلط للأيونات والإلكترونات. يتم تسليط الضوء على الهيدروجيلات، وخاصة الهيدروجيلات فوق الجزيئية التي تستخدم كيمياء المضيف-الضيف من الكوكب [ن] (CB[n])، لخصائصها الشبيهة بالأنسجة وخصائصها الميكانيكية الاستثنائية، بما في ذلك الشفاء الذاتي والقوة.
أدت التقدمات الأخيرة في دمج الشبكات الإلكترونية الموصلة في الهيدروجيلات، تحديدًا من خلال استخدام البوليمرات الموصلة مثل PEDOT:PSS، إلى تحسين الموصلية الإلكترونية. لقد مكنت إدخال حمض الأكريليك (PAA) كقالب مسبق من تشكيل أشكال بوليمر موصل متجانسة، مما يعزز اقتران الأيونات والإلكترونات والسعة الحجمية. تقدم الورقة نتائج حول هيدروجيل بولي (دايميثيل أكريلاميد) مع رابط فوق جزيئي جديد CB[8]، والذي يدعم التكوين المتجانس للشبكات الموصلة. تظهر المواد الناتجة خصائص ميكانيكية مثيرة للإعجاب (قوة 620 كيلوجول م⁻³، وقابلية تمدد تزيد عن 1000%، ونعومة 10.5 كيلو باسكال) وموصلية إلكترونية (5.8 سيمنز سم⁻¹)، متفوقة على الأقطاب التقليدية من حيث مقاومة الجلد وسعة حقن الشحن. تؤكد الدراسة على أهمية المحبة للماء في تحقيق التوافق بين البوليمرات الموصلة والهيدروجيلات، مما يسهل تطوير أجهزة الهيدروجيل القابلة لإعادة التبلل والقابلة لإعادة الاستخدام.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في تخليق شبكات البوليمر فوق الجزيئية S-PEDOT الموصلة ذاتية التدوين. تشمل المواد الكيميائية المستخدمة، التي تم الحصول عليها بشكل أساسي من Sigma-Aldrich، الأكريلاميد، وحمض 2-أكريلاميدو 2-دايميثيل إيثان سلفونيك (AMPS)، ومختلف المحفزات الضوئية والروابط المتقاطعة. تتضمن عملية التخليق إذابة مونومر الأكريلاميد، والمحفيز الضوئي، والروابط المتقاطعة غير التساهمية في ماء Milli-Q، تليها تنقية النيتروجين لإزالة الأكسجين. ثم يتم تعريض المحلول للإشعاع فوق البنفسجي لتفاعل البوليمر الضوئي، بعد ذلك يتم معالجة SPN المتكون بحمض الكبريتيك ومواد كيميائية أخرى لتسهيل بوليمرة S-PEDOT.
تشمل تقنيات التوصيف اللاحقة مجهر الفلورية والتحليل الريولوجي. يتم إجراء التصوير الفلوري باستخدام مجهر Nikon Eclipse Ti2 المقلوب مع أهداف وإعدادات إضاءة محددة لالتقاط ميزات العينة. يتم تقييم الخصائص الريولوجية باستخدام جهاز قياس اللزوجة الهجين Discovery، مع التركيز على قياسات التردد المتذبذب والقياس المستمر للجهد لتقييم السلوك الميكانيكي لـ SPNs مباشرة بعد التصنيع. توفر هذه الطرق مجتمعة رؤى حول الخصائص الهيكلية والوظيفية لشبكات البوليمر التي تم تخليقها.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وخصائص بوليمر موصل ذاتي التدوين جديد، S-PEDOT، المدمج داخل شبكة بوليمر فوق جزيئية (SPN). يعزز تخليق S-PEDOT عبر البوليمرة الأكسدية من محبته للماء مقارنةً بـ PEDOT التقليدي، مما يسمح بتفاعل البوليمرة بفعالية في البيئات المائية دون المذيبات العضوية. ينتج عن ذلك شبكة موصلة متجانسة للغاية، كما تم تأكيده بواسطة مجهر الفلورية ومجهر المسح الإلكتروني بالليزر المتجمد (cryo-FIB SEM). تظهر شبكة S-PEDOT SPN زيادة كبيرة في الموصلية الكهربائية (5.8 سيمنز سم\(^{-1}\)) وتحسين الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك القوة وقابلية التمدد، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البيولوجية الإلكترونية. تظل موصلية المادة مستقرة تحت إجهاد الشد، متفوقة على PEDOT:PSS في كل من سعة حقن الشحن وقياسات مقاومة الجلد.
علاوة على ذلك، تظهر شبكة S-PEDOT SPN القدرة على الجفاف وإعادة التبلل بسرعة، وهي ميزة تعزز من قابليتها للاستخدام في تطبيقات متنوعة مثل توصيل الأدوية والاستشعار الحيوي. يسهل دمج مونومر مشحون في SPN هذه القابلية السريعة لإعادة التبلل، مما يؤدي إلى موصلية عالية تبلغ 4.3 سيمنز سم\(^{-1}\) حتى بعد إعادة التبلل. يبرز المؤلفون إمكانيات الهيدروجيلات المعتمدة على S-PEDOT لتجاوز التبادلات التقليدية بين الخصائص الميكانيكية والموصلية، مقترحين أن التعديلات الجزيئية الإضافية يمكن أن تؤدي إلى تقدم في قدرات النقل المختلط للأيونات والإلكترونات ووظائف إضافية، مثل القابلية للتحلل الحيوي والبرمجة لتوصيل الأدوية. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة اتجاهًا واعدًا لتطوير الهيدروجيلات الموصلة في البيولوجيا الإلكترونية.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202415687
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40296300
Publication Date: 2025-04-28
Author(s): Stephen J. K. O’Neill et al.
Primary Topic: Conducting polymers and applications
Overview
This research presents a novel approach to developing mechanically resilient hydrogels that integrate ion-electron mixed transport properties, effectively bridging biological systems with electronic applications. By incorporating the hydrophilic self-doped conducting polymer S-PEDOT into a supramolecular hydrogel framework, the study achieves a homogeneous network that significantly enhances mechanical properties and conductivity. The resulting hydrogels exhibit impressive toughness (620 kJ m$^{-3}$), stretchability (>1000%), softness (10.5 kPa), and conductivity (5.8 S cm$^{-1}$), outperforming traditional inhomogeneous PEDOT:PSS-based hydrogels. This homogeneous integration leads to improved charge injection capacitance and reduced skin impedance, making these materials suitable for advanced bioelectronic interfaces.
The findings indicate that the uniform incorporation of S-PEDOT within a supramolecular network, facilitated by high-binding affinity host-guest crosslinks, allows for the creation of fully dryable and reswellable electronic devices. This innovation not only enhances the usability and handling of conductive hydrogels but also opens avenues for further molecular modifications to improve hydrophilicity and self-doping levels. The research suggests that such advancements could lead to significant improvements in mixed ion-electron transport capabilities and mechanical performance, while also expanding the functional applications of conductive hydrogels in bioelectronics, including biodegradability, recyclability, and programmed drug delivery.
Introduction
The introduction discusses the significance of bioelectronic interfaces that integrate biological systems with electronic components, essential for applications such as medical implants and neuroprosthetics. Key requirements for these interfaces include durable mechanical properties for long-term biological integration and materials that facilitate mixed ionic and electronic transport. Hydrogels, particularly supramolecular hydrogels utilizing cucurbit[n]uril (CB[n]) host-guest chemistry, are highlighted for their tissue-like properties and exceptional mechanical characteristics, including self-healing and toughness.
Recent advancements in incorporating electronic conducting networks into hydrogels, specifically through the use of conductive polymers like PEDOT:PSS, have led to improved electronic conductivities. The introduction of polyacrylic acid (PAA) as a pretemplate has enabled the formation of homogeneous conducting polymer morphologies, enhancing ion-electron coupling and volumetric capacitance. The paper presents findings on a poly(dimethylacrylamide) hydrogel with a novel CB[8] supramolecular cross-link, which supports the homogeneous formation of conductive networks. The resulting materials exhibit impressive mechanical properties (toughness of 620 kJ m⁻³, stretchability over 1000%, and softness of 10.5 kPa) and electronic conductivity (5.8 S cm⁻¹), outperforming traditional electrodes in terms of skin impedance and charge injection capacitance. The study emphasizes the importance of hydrophilicity in achieving compatibility between conducting polymers and hydrogels, facilitating the development of re-swellable and reusable hydrogel devices.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for synthesizing self-doped PEDOT supramolecular polymer networks (S-PEDOT SPN). The chemicals utilized, primarily sourced from Sigma-Aldrich, include acrylamide, 2-Acrylamido 2-dimethylethanesulfonic acid (AMPS), and various photoinitiators and crosslinkers. The synthesis process involves dissolving the acrylamide monomer, photoinitiator, and non-covalent crosslinker in Milli-Q water, followed by nitrogen purging to eliminate oxygen. The solution is then subjected to UV irradiation for photopolymerization, after which the formed SPN is treated with sulfuric acid and other reagents to facilitate polymerization of S-PEDOT.
Subsequent characterization techniques include fluorescence microscopy and rheological analysis. Fluorescence imaging is performed using a Nikon Eclipse Ti2 inverted microscope with specific objectives and illumination settings to capture sample features. Rheological properties are assessed using a Discovery Hybrid Rheometer, focusing on oscillatory frequency-sweep and continuous step-strain measurements to evaluate the mechanical behavior of the SPNs immediately after fabrication. These methods collectively provide insights into the structural and functional properties of the synthesized polymer networks.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and characteristics of a novel self-doped conductive polymer, S-PEDOT, integrated within a supramolecular polymer network (SPN). The synthesis of S-PEDOT via redox polymerization enhances its hydrophilicity compared to traditional PEDOT, allowing for effective polymerization in aqueous environments without organic solvents. This results in a highly homogeneous conductive network, as confirmed by fluorescence microscopy and cryo-focused ion beam scanning electron microscopy (cryo-FIB SEM). The S-PEDOT SPN exhibits a significant increase in electrical conductivity (5.8 S cm\(^{-1}\)) and improved mechanical properties, including toughness and stretchability, making it suitable for bioelectronic applications. The material’s conductivity is stable under tensile strain, outperforming PEDOT:PSS in both charge injection capacitance and skin impedance measurements.
Furthermore, the S-PEDOT SPN demonstrates the ability to be dried and rapidly reswelled, a feature that enhances its usability in various applications such as drug delivery and biosensing. The incorporation of a charged monomer into the SPN facilitates this rapid reswellability, resulting in a high conductivity of 4.3 S cm\(^{-1}\) even after reswelling. The authors highlight the potential of S-PEDOT-based hydrogels to overcome traditional trade-offs between mechanical properties and conductivity, suggesting that further molecular modifications could lead to advancements in mixed ion-electron transport capabilities and additional functionalities, such as biodegradability and programmability for drug delivery. Overall, this research presents a promising direction for the development of conductive hydrogels in bioelectronics.