Advanced Functional Materials | 深圳先進(jìn)院等提出構(gòu)筑高性能生物電子界面新策略
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所正高級工程師張翊團(tuán)隊(duì),與深圳大學(xué)彭爭春教授團(tuán)隊(duì)合作,在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為Fast Electrodeposition of MXene/PDA Composites for High-Performance Bioelectronic Interfaces: An In Vitro Evaluation的研究論文。該論文開發(fā)了一種簡單的電化學(xué)加工技術(shù),在常溫常壓下即可制備高性能MXene/PDA復(fù)合電極,為構(gòu)筑新一代高性能生物電子界面提供了新策略。博士生曾齊為論文第一作者,張翊正高級工程師和彭爭春教授為共同通訊作者,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與深圳大學(xué)為通訊單位。
理想的生物電子界面通常要求生物電極滿足低界面阻抗、優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和生物安全性等實(shí)際要求,引入生物友好型納米材料以增加有效表面積和相應(yīng)的電化學(xué)性能是近年來常用的表面處理策略之一。而目前的技術(shù)仍主要依賴于昂貴的材料和制造方案,無法實(shí)現(xiàn)大批量、規(guī)模化生產(chǎn),嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。MXene作為一類新的二維過渡金屬碳化物和/或氮化物,自2011年被發(fā)現(xiàn)以來引起了廣泛的研究興趣。然而,鑒于MXene與基底的粘附強(qiáng)度較低,在大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道中,通常將其作為摻雜成分之一,或作為導(dǎo)電油墨,然后通過滴涂、旋涂、印刷等方式加工成所需的電極。
目前的生物電子,特別是大多數(shù)植入式器件,依然使用金屬基材作為導(dǎo)體。大多數(shù)關(guān)于原位沉積制備MXene電極的報(bào)道都集中在電催化等工業(yè)應(yīng)用上,且大多采用碳材料作為襯底。采取溫和的方法在金屬襯底上原位制備穩(wěn)定性良好的MXene生物電極鮮有報(bào)道。為了解決上述問題,研究人員開發(fā)一種低成本、溫和的原位制備方法(常溫常壓、低電壓、快速沉積),在金屬襯底上獲得穩(wěn)定可靠的MXene復(fù)合生物電極,使其兼?zhèn)涓唠娀瘜W(xué)性能(低阻抗、高電荷存儲能力)和優(yōu)異的光熱/光電、生物性能,可普適于功能化生物電子接口。
團(tuán)隊(duì)在前期基礎(chǔ)上,采用循環(huán)伏安法沉積法在金屬襯底上制備了PDA粘附層,然后采用電泳沉積工藝在PDA層上制備MXene功能涂層。其中,PDA粘附層提供了至少兩點(diǎn)好處:(a)為MXene沉積提供了中間粘附層,增強(qiáng)了其與金屬襯底之間的附著力;(b)可適當(dāng)提高襯底的親水性,便于進(jìn)一步的表界面修飾。所得到的MXene/PDA復(fù)合電極具有較低的電化學(xué)阻抗,陰極電荷存儲能力約為未修飾基底的140倍,電荷注入能力也顯著增加。該復(fù)合電極在經(jīng)過1億多次電脈沖刺激和1000次CV周期的連續(xù)電刺激下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。值得一提的是,該復(fù)合電極在近紅外激光照射下具有高效且快速的光熱響應(yīng)。此外,它還表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)活性,其光電流響應(yīng)程度比裸電極高出近40倍,表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)檢測性能。
由于優(yōu)異的生物相容性,MXene/PDA復(fù)合生物電極也有望減輕神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥,這對植入式和其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有較大吸引力。最重要的是,通過該策略制備的復(fù)合電極大大降低了成本,其他金屬襯底,如鈦、不銹鋼等,也可采用類似的方式用MXene/PDA復(fù)合材料進(jìn)行表界面修飾,具備較強(qiáng)的普適性。未來的研究應(yīng)著眼于其在體外和體內(nèi)的電生理性能和長期穩(wěn)定性,并有望廣泛用于新一代多功能生物電子接口。
MXene/PDA復(fù)合電極的電沉積制備流程及性能表征。(a)-(c) MXene/PDA復(fù)合電極快速電沉積過程示意圖,包括電化學(xué)預(yù)處理,電聚合PDA粘附層,以及電泳沉積MXene功能層。相應(yīng)的MXene電泳遷移示意圖如圖c(ii)所示;(d) PDA電化學(xué)聚合的反應(yīng)機(jī)理;(e)-(g) 分別為MXene/PDA復(fù)合電極的電化學(xué)穩(wěn)定性、光熱穩(wěn)定性和光電化學(xué)傳感性能。
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