导电高分子，如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）具有良好的导电性，是近年来制备导电水凝胶的热门材料之一。然而，导电高分子水溶性/水分散性差以及其较差的生物相容性极大的限制了其在水凝胶中的应用。近年来，很多研究报道了对导电聚合物掺杂以改善其水分散性的不同方法。常见的有聚乙烯基苯磺酸（PSS）掺杂PEDOT、Cl-掺杂聚吡咯等。然而，并没有一种通用的、绿色环保的方法来解决不同导电聚合物的水分散性问题。

  近日，西南交通大学鲁雄教授团队基于仿贻贝机理，提出了一种用于制备良好水分散性导电聚合物纳米颗粒的通用策略。该方法利用可持续再生的天然生物分子-木质素，对木质素进行磺酸化接枝改性用来对导电高分子进行掺杂，制备良好水分散性的导电聚合物/磺化木质素纳米颗粒（CP/LS NPs）。一方面，木质素磺酸盐上的磺酸基团能够掺杂导电聚合物增加导电聚合物导电性和亲水性;另一方面，导电聚合物能够促进木质素磺酸盐上酚羟基和醌基之间的电子转移，构建类似贻贝的氧化还原平衡体系。因此，木质素磺酸盐独特多活性位点的特点能够作为增加导电聚合物分散性和导电性的通用模板，用来制备多功能导电聚合物纳米颗粒。将设计的具有导电性、氧化还原活性、亲水性的导电聚合物/木质素纳米颗粒作为纳米填料，制备了可用于生物医学领域的具有导电性、粘附性和生物相容性良好的超强水凝胶。该研究成果以“Mussel-Inspired Redox-Active and Hydrophilic Conductive Polymer Nanoparticles for Adhesive Hydrogel Bioelectronics”为题发表于《Nano-Micro Letters》（IF=12.264）。论文第一作者为博士研究生甘东林和硕士研究生帅涛，论文的通讯作者为鲁雄教授和谢超鸣副教授。

Fig.1 亲水性、氧化还原CP/LS NPs在导电粘附水凝胶中的作用机理及其应用。

  CP/LS NPs 作为一种通用的导电纳米填料，制备具有良好导电性、粘附性以及可拉伸性能的水凝胶。具有氧化还原活性的 CP/LS NPs 能在水凝胶内部构建类似贻贝粘附蛋白的动态氧化还原反应并使水凝胶保持足够的多的儿茶酚基团，赋予水凝胶持久可重复的粘附性能。

Fig.2 (a).不同纳米颗粒制备的粘附水凝胶在不同基体表面的粘附，如皮肤、金属、玻璃、塑料以及组织。(b).PEDOT/LS-PAM水凝胶在不同基体上的粘附强度。(c). PEDOT/LS-PAM水凝胶在猪皮上的反复粘附强度测试。(d). 水凝胶和不同基体的粘附机理. I. 配位键. II. 共价键. III. π–π 相互作用. IV. 氢键.

  CP/LS NPs水凝胶能够牢固粘附在作者的手背皮肤，水凝胶剥离后不会留下残留物(Fig 2a.)。CP/LS NPs 水凝胶还能够粘合在合金表面， 并且能够拉伸至原始长度的 7 倍 (PEDOT/LS-PAM 水凝胶)、8.5 倍 (PPy/LS-PAM 水凝胶)、6 倍(PANI/LS-PAM 水凝胶)而不从基体上脱落 (Fig. 2a)。CP/LS NPs制备的水凝胶在各种基体表面都有较强的粘附强度 (Fig. 2b)，例如，合金 (23.3 kPa)、聚四氟乙烯 (22.5 kPa)、玻璃 (21.5 kPa)和猪皮 (20 kPa)。

Fig.3 (a)不同水凝胶的电导率。(b)不同PEDOT/LS纳米颗粒含量对水凝胶导电性的影响。(c) 不同EDOT和LS比例的水凝胶电导率。(d) 将PEDOT/LS-PAM水凝胶连入电路并点亮LED灯，检测水凝胶拉伸对LED灯亮度的影响。(e) PEDOT/LS-PAM水凝胶作为电子皮肤。通过测量电流变化来检测水凝胶的拉伸应变。水凝胶作为生物电极用于测量(f) 肌电信号和(g) 心电信号。

  CP/LS 掺杂赋予了水凝胶良好的导电性。与单独的导电纳米材料复合的导电水凝胶相比，该水凝胶不仅有更好的导电性，还具有较强的粘附性能。本研究选用 PEDOT/LS-PAM 水凝胶对其应用进行展示。串联入带有 LED 灯的粘附、导电 PEDOT/LS-PAM 水凝胶能够粘附在塑料上并且可以被拉伸，随着拉伸长度的增加，LED 灯的亮度由于水凝胶电阻的增加而降低 (Fig. 3d)。水凝胶还可以作为应变传感器，在不同应变状态，水凝胶的电阻不同因此通过水凝胶的电流发生变化，通过记录电流的变化率可以对应变进行实时监控(Fig. 3e)。由于 PEDOT/LS-PAM 水凝胶的优良的粘附性和导电性，水凝胶还可以作为自粘附电极，并且能够准确的检测ECG和EMG信号(Fig. 3f和g)。

  本研究设计了一种制备具有氧化还原活性、亲水性的导电纳米颗粒的通用策略。由于 LS 中丰富的儿茶酚官能团的存在，这种方法制备的导电纳米颗粒具有良好的水分散性、氧化还原活性，同时还具有良好的生物相容性。解决了传统导电纳米颗粒功能型单一，水分散性和生物相容性差的问题。由于 CP/LS NPs 具有良好的水分散性，能够分散在水凝胶中并形成连通的导电通路，因此，NPs 可以掺入水凝胶中制备具有优良导电性的导电水凝胶。CP/LS NPs 能够构成类似贻贝粘附蛋白的动态氧化还原体系，使水凝胶中保持大量的儿茶酚官能团，从而使水凝胶具有持久可重复使用的粘附性。因此，这种CP/LS NPs导电纳米颗粒为导电聚合物在未来柔性生物电子领域的应用开辟了新道路。

  原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-020-00507-0