具有三维连接石墨烯网络的导电水凝胶结构用于生物医学

来源：高分子凝胶与网络

导电水凝胶提供与生物系统的有效电通信，同时提供柔软和水合的界面。然而，以最少的导电组分掺入，轻松制造具有高电性能的导电水凝胶仍然是一个挑战。

韩国光州科技大学Jae Young Lee（通讯作者）团队使用氧化石墨烯 (GO) 涂层的琼脂糖微珠和热退火开发了一种由三维连接的还原氧化石墨烯 (rGO) 网络组成的导电水凝胶。GO 包被的琼脂糖微珠自组装成粒状水凝胶和随后的温和加热允许生产含有三维连接的 rGO 网络的导电水凝胶（称为热退火石墨烯通道琼脂糖水凝胶 (TAGAH)）。TAGAH 表现出高导电性、少量石墨烯、低阻抗和类似软组织的弹性。通过成型和 3D 打印可以轻松制造各种导电结构。体外和体内研究表明它们具有出色的生物相容性。此外，基于 TAGAH 的材料的潜在生物医学应用已被成功地证明为软生物电极、压力传感器、应变传感器和导电组织支架。相关成果以“Conductive hydrogel constructs with three-dimensionally connected graphene networks for biomedical applications”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图文导读

图 1. A) 使用与石墨烯涂层琼脂糖微珠 (GAM) 自组装的颗粒水凝胶 (GH) 制备热退火石墨烯连接琼脂糖水凝胶 (TAGAH) 的示意图。 B) 带正电和带负电的 GAM、GH 和 TAGAH 的图像。通过模塑 GH 和随后的热退火（70°C, 60 min）生产的各种形状的 TAGAH 结构。 C) TAGAH 的潜在生物医学应用，例如软生物电极、应变生物传感器和 3D 打印导电组织支架。

图 2. 不同条件下制备的 TAGAH 的特性。  A) 用不同尺寸的各种 GAM 制备的样品的电导率；将样品加热至 70 °C 最多 60 分钟。 B) TAGAH 的归一化电导率与 GO 含量的量。 C) 在不同温度和时间点加热后 TAGAH 的电导率变化。 D) TAGAH 在 70 °C 下退火不同时间的拉曼光谱。 E) 拉曼光谱中 D-、2D-和 G-波段强度的比率 (ID/IG 和 I2D/IG) 图。 F) TAGAH 在不同温度和时间点加热后的杨氏模量。 G) 在 70 °C 下退火不同时间的冷冻切片样品的光学显微照片；比例尺：50 μm。 GO，氧化石墨烯； GAMs，GO 包被的琼脂糖微珠；  TAGAH，热退火石墨烯通道琼脂糖水凝胶。

图 3. TAGAH 的结构和成分调查。 A）在荧光溶液（0.05 mg mL-1 亚甲蓝）中短暂孵育的各种水凝胶的共聚焦荧光显微镜；比例尺：20 µm。 B) TAGAH 的 SEM/EDS 图像；比例尺：50 µm。 C) TAGAH 的高倍率横截面 TEM 图像和 EDS 线扫描轮廓显示石墨烯网络的存在；比例尺：200 nm。 D) TAGAH 的 TEM 图像和 SAED 图案（插图）。 E) GO 和琼脂糖热诱导重组形成大孔互连网络的示意图。



图 4. 琼脂糖、GO/琼脂糖和 TAGAH 的电气和机械特性。 水凝胶 A) 在 PBS 中和 B) 在 DI 水中的电导率。 C) 水凝胶的 CV。  D) 从 CV 计算的电荷存储电容。 E) 水凝胶的 EIS。 F) 水凝胶在 104 Hz 时的阻抗。 G) 水凝胶的压缩试验；插图是放大图。 H) 压缩模量和 I) 水凝胶的屈服应力。 GO，氧化石墨烯； TAGAH，热退火石墨烯通道琼脂糖水凝胶； CV，循环伏安图； PBS，磷酸盐缓冲盐水； DI水、去离子水； EIS，电阻抗谱。



图 5. TAGAH 的生物相容性。

图 6. TAGAH 的各种生物医学应用。 A) 在胫骨前肌表面使用 GO/琼脂糖和 TAGAH 电极进行电生理 EMG 测量的照片和记录的信号。 B) 压力传感器和 C) TAGAH 的应变传感器应用。 D) GH 的 3D 打印加热以产生 3D 构造；印刷的 TAGAH 支架是独立的且导电的。 E) 在 3D 打印的 TAGAH 上进行体外成肌细胞培养；比例尺：100 µm。 GO，氧化石墨烯； TAGAH，热退火石墨烯通道琼脂糖水凝胶； GH，颗粒水凝胶；   EMG，肌电图。

小结
在这项研究中，本文开发了一种简单的制造方法，用于构建具有高电导率的导电水凝胶，并且很少使用各种形式的导电成分用于生物医学应用。特别是，本文设计并使用自组装的石墨烯涂层琼脂糖微珠作为新型构件来生产各种形状的水凝胶结构，然后对其进行热退火以诱导水凝胶内导电石墨烯网络的形成。在 70°C 下热退火 60 分钟导致 GO 和琼脂糖重排为有序的大孔（蜂窝状）结构。GO的热还原和网络形成导致使用少量GO显着提高电/电化学和机械性能。TAGAH的体外细胞培养和体内皮下植入显示其优异的生物相容性。此外，TAGAH 可以轻松成型为各种导电产品，例如可植入 EMG 电极、压力传感器、应变传感器和 3D 组织支架。随着性能和实用性的成功展示，该石墨烯通道导电水凝胶系统将为各种生物医学应用提供各种导电生物材料的简便和多功能制造。