如何让导电凝胶在潮湿时粘住

聚合物是电的良导体,在生物医学设备中可能有用,例如帮助传感或电刺激。但有一个症结阻碍了它们的广泛应用:它们不能附着在传感器或微芯片等表面,也不能在身体受潮的情况下保持不动。

现在,麻省理工学院的研究人员想出了一种方法,让导电聚合物凝胶附着在潮湿的表面上。

今天,麻省理工学院的博士生Hyunwoo Yuk、前访问学者Akihisa Inoue、博士后Lu Baoyang和机械工程教授Xuanhe Zhao在《科学进展》杂志的一篇论文中描述了这种新的粘合方法。

赵解释说,大多数用于生物医学设备的电极是由铂或铂铱合金制成的。这些都是很好的导电体,在身体潮湿的环境中很耐用,化学上也很稳定,所以它们不会与周围的组织相互作用。但它们的刚性是一个主要缺点。因为它们不能随着身体的移动而弯曲和伸展,它们会损伤脆弱的组织。

相比之下,导电聚合物,如PEDOT:PSS,可以非常接近于身体脆弱组织的柔软性和灵活性。棘手的部分是如何让它们与所连接的生物医学设备保持连接。多年来,研究人员一直在努力使这些聚合物在人体潮湿且经常移动的环境中保持耐用。

“已经有成千上万的论文在讨论这些材料的优点,”Yuk说,但是制造生物医学设备的公司“就是不使用它们”,因为他们需要非常可靠和稳定的材料。材料的失败可能需要侵入性的外科手术来替代它,这给病人带来了额外的风险。

硬金属电极“有时会伤害组织,但它们在多年的可靠性和稳定性方面表现良好,”他说,直到现在,聚合物替代品还没有出现这种情况。

大多数努力解决这一问题做出重大的修改涉及高分子材料来改善他们的耐用性和坚持的能力,但是咯咯大笑说,创建自己的问题:公司已经斥巨资在设备制造这些聚合物,配方和重大变化将需要大量投资新的生产设备。这些变化针对的是一个经济规模相对较小、但潜在影响较大的市场。已经尝试过的其他方法仅限于特定的材料。相反,麻省理工学院的团队专注于尽可能少的改变,以确保与现有的生产方法兼容,并使该方法适用于各种各样的材料。

他们的方法涉及导电聚合物水凝胶和衬底材料之间极薄的粘合层。虽然只有几纳米厚(十亿分之一米),但这一层可以有效地使凝胶附着在各种常用的衬底材料上,包括玻璃、聚酰亚胺、氧化铟锡和金。粘接剂层渗透到聚合物本身,产生一种坚固耐用的保护结构,即使在长时间暴露在潮湿的环境中也能保持材料的位置。

该粘合层可以通过各种标准的制造工艺应用到设备上,包括旋转涂层、喷涂涂层和浸渍涂层,使其易于与现有的制造平台集成。研究人员在测试中使用的涂层是由聚氨酯制成的,这是一种亲水(吸水)材料,容易获得且价格低廉,尽管其他类似的聚合物也可以使用。Yuk解释说,这些材料“在形成互相渗透的网络时变得非常坚固”,就像它们在导电聚合物上涂层时一样。他说,这种增强的强度应该可以解决与未涂层聚合物相关的耐久性问题。

其结果是一种机械强度高且导电的凝胶,与附着的表面紧密结合。“这是一个非常简单的过程,”Yuk说。

该结合证明是高度抵抗弯曲,扭曲,甚至折叠的衬底材料。粘合剂聚合物已经在实验室测试使用超声波加速老化条件下,但是咯咯大笑说,生物医学设备行业接受这样一种新材料将需要更长的时间,更严格的测试来确认这些涂层纤维在现实条件下的稳定在很长一段时间。

他说:“我们很乐意授权使用这项技术,并在现实情况下对其进行进一步测试。”他表示,该团队已开始与制造商谈判,以了解“我们如何才能最好地帮助他们测试这些知识”。

“我认为这是一项伟大的工作,”斯坦福大学(Stanford University)化学工程教授鲍哲南(Zhenan Bao)表示。“湿式粘合剂已经是一个巨大的挑战。在潮湿环境下工作良好的导电粘合剂更是罕见。它们对于神经接口和记录来自心脏或大脑的电信号是非常必要的。”

鲍说这项工作“是生物电子学领域的一个重大进步”。

这项研究得到了国家科学基金会、JSR公司和三星公司的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/conductive-gels-stick-wet-0320

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