DOI: 10.1038/s41467-023-36438-8

导电水凝胶已应用于植入式生物电子学、组织工程平台、软致动器和其他新兴技术。然而，实现高导电性和机械坚固性仍然存在一定的挑战。在此，本文报告了一种基于聚合物纳米纤维网络混合组装来制备导电水凝胶的方法。在这些水凝胶中，导电聚合物在芳纶纳米纤维模板效应辅助下，自组织成高度连接的三维纳米结构，其具有超低的电渗漏阈值（～1wt%），在不牺牲孔隙率或水含量的情况下，实现了高电子传导性和结构坚固性。研究发现，由聚吡咯、芳纶纳米纤维和聚乙烯醇组成的水凝胶的电导率达到约80S/cm，机械强度约为9.4 MPa，拉伸性约为36%。这表明，图案化的导电纳米纤维水凝胶可作为具有良好电化学阻抗和电荷注入能力的电极和互连，以实现电生理应用。此外，研究证明，在柔软导电纳米纤维水凝胶基质上培养的心肌细胞表现出自发且同步的搏动，这为开发先进的植入式设备和组织工程技术提供了新的机会。

图1.CNHs的合成和结构特征。a）纳米纤维模板引导渗透聚吡咯（PPy）网络的合成示意图。b-d）在水溶液中聚合PPy颗粒的SEM图像：不含纳米纤维模板（b），芳纶纳米纤维-聚乙烯醇（ANF-PVA）模板（c）以及ANF-PVA-PPy网络（d）。比例尺：1μm。e）通过为LEDs阵列供电来证明CNHs的电导率。比例尺：1cm。f）在伸长80%之前（左）和之后（右），蛇形导电纳米纤维水凝胶（CNH）图案集成在ANF-PVA基底上的照片。比例尺：1cm。

图2.CNHs的电导率。a-c）对于纯芳纶纳米纤维（ANF）模板（a）、具有恒定固相分数的ANF-聚乙烯醇（ANF-PVA）模板（b）和具有恒定ANF和PVA比例的模板（c），导电纳米纤维水凝胶（CNHs）的导电性与聚吡咯（PPy）含量的关系。PPy的电渗流阈值取决于模板的不同配置。d）随着PPy含量进一步增加超过电渗流阈值，CNHs的高电导率得以实现。e）在类似聚合条件下制备的CNHs和其他掺有PPy的水凝胶之间的电导率比较，显示了ANFs的独特模板效应。f）ANF-P（EDOT-MeOH）与那些用纯PVA或聚丙烯酰胺（PAm）基质制备的材料的电导率比较。a-d）和e,f）中的数据分别为n=3和n=4个独立样本的平均值±SDs。

图3.CNHs在机械载荷下的性能。a,b）基于纯芳纶纳米纤维（ANF）模板（a）或ANF-聚乙烯醇（ANF-PVA）模板（b），具有不同聚吡咯（PPy）含量的样品的应力-应变曲线。c）具有1.9%ANF和9.5%PVA的各种导电纳米纤维水凝胶（CNHs）的最大伸长率和电导率的统计。d）不同PPy含量的CNHs的电阻与拉伸应变的函数关系。e）纳米纤维网络取向响应于施加应变的示意图。f）显示拉伸下纳米纤维网络取向的SEM图像。比例尺：500nm。c）中的值表示n=3个独立CNHs的平均值±SDs。

图4.CNHs在软生物电子学中的应用。a,b）导电纳米纤维水凝胶（CNH）电极（3.1%ANF，15.5%PVA，25%PPy）和Au电极的电化学阻抗谱（EIS）（a）和循环伏安法（CV）（b）测量。c）当电压在-0.5和0.5V之间切换时，CNH电极的脉冲电流注入曲线，并将其与Au电极响应进行对比。d）CNH图案化工艺示意图。e）基于ANF-PVA薄膜的图案化CNH的照片。比例尺：1cm。f）安装在前臂上的四通道CNH电极的照片。比例尺：1cm。g）CNH电极记录的不同手部动作和相应肌电（EMG）模式的照片。

图5.心肌细胞介导CNHs。a）在导电纳米纤维水凝胶（CNH）（3.1%ANF，15.5%PVA，25%PPy）上培养的新生大鼠心肌细胞的心脏特异性蛋白（α-肌动蛋白，紫色；连接蛋白43，绿色；肌钙蛋白T，红色）和细胞核（蓝色）的免疫荧光染色。比例尺：50μm。b,c）在组织培养板（TCP）（b）和CNH（c）上培养的心肌细胞中的钙瞬变成像，以及在不同位置记录的时间变化，显示了不同的兴奋模式。比例尺：100μm。在四个独立实验中获得了类似的结果。