具有三維連接石墨烯網絡的導電水凝膠結構用于生物醫(yī)學

來源：高分子凝膠與網絡

導電水凝膠提供與生物系統(tǒng)的有效電通信，同時提供柔軟和水合的界面。然而，以最少的導電組分摻入，輕松制造具有高電性能的導電水凝膠仍然是一個挑戰(zhàn)。

韓國光州科技大學Jae Young Lee（通訊作者）團隊使用氧化石墨烯 (GO) 涂層的瓊脂糖微珠和熱退火開發(fā)了一種由三維連接的還原氧化石墨烯 (rGO) 網絡組成的導電水凝膠。GO 包被的瓊脂糖微珠自組裝成粒狀水凝膠和隨后的溫和加熱允許生產含有三維連接的 rGO 網絡的導電水凝膠（稱為熱退火石墨烯通道瓊脂糖水凝膠 (TAGAH)）。TAGAH 表現(xiàn)出高導電性、少量石墨烯、低阻抗和類似軟組織的彈性。通過成型和 3D 打印可以輕松制造各種導電結構。體外和體內研究表明它們具有出色的生物相容性。此外，基于 TAGAH 的材料的潛在生物醫(yī)學應用已被成功地證明為軟生物電極、壓力傳感器、應變傳感器和導電組織支架。相關成果以“Conductive hydrogel constructs with three-dimensionally connected graphene networks for biomedical applications”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。

圖文導讀

圖 1. A) 使用與石墨烯涂層瓊脂糖微珠 (GAM) 自組裝的顆粒水凝膠 (GH) 制備熱退火石墨烯連接瓊脂糖水凝膠 (TAGAH) 的示意圖。 B) 帶正電和帶負電的 GAM、GH 和 TAGAH 的圖像。通過模塑 GH 和隨后的熱退火（70°C, 60 min）生產的各種形狀的 TAGAH 結構。 C) TAGAH 的潛在生物醫(yī)學應用，例如軟生物電極、應變生物傳感器和 3D 打印導電組織支架。

圖 2. 不同條件下制備的 TAGAH 的特性。  A) 用不同尺寸的各種 GAM 制備的樣品的電導率；將樣品加熱至 70 °C 最多 60 分鐘。 B) TAGAH 的歸一化電導率與 GO 含量的量。 C) 在不同溫度和時間點加熱后 TAGAH 的電導率變化。 D) TAGAH 在 70 °C 下退火不同時間的拉曼光譜。 E) 拉曼光譜中 D-、2D-和 G-波段強度的比率 (ID/IG 和 I2D/IG) 圖。 F) TAGAH 在不同溫度和時間點加熱后的楊氏模量。 G) 在 70 °C 下退火不同時間的冷凍切片樣品的光學顯微照片；比例尺：50 μm。 GO，氧化石墨烯； GAMs，GO 包被的瓊脂糖微珠；  TAGAH，熱退火石墨烯通道瓊脂糖水凝膠。

圖 3. TAGAH 的結構和成分調查。 A）在熒光溶液（0.05 mg mL-1 亞甲藍）中短暫孵育的各種水凝膠的共聚焦熒光顯微鏡；比例尺：20 µm。 B) TAGAH 的 SEM/EDS 圖像；比例尺：50 µm。 C) TAGAH 的高倍率橫截面 TEM 圖像和 EDS 線掃描輪廓顯示石墨烯網絡的存在；比例尺：200 nm。 D) TAGAH 的 TEM 圖像和 SAED 圖案（插圖）。 E) GO 和瓊脂糖熱誘導重組形成大孔互連網絡的示意圖。



圖 4. 瓊脂糖、GO/瓊脂糖和 TAGAH 的電氣和機械特性。 水凝膠 A) 在 PBS 中和 B) 在 DI 水中的電導率。 C) 水凝膠的 CV。  D) 從 CV 計算的電荷存儲電容。 E) 水凝膠的 EIS。 F) 水凝膠在 104 Hz 時的阻抗。 G) 水凝膠的壓縮試驗；插圖是放大圖。 H) 壓縮模量和 I) 水凝膠的屈服應力。 GO，氧化石墨烯； TAGAH，熱退火石墨烯通道瓊脂糖水凝膠； CV，循環(huán)伏安圖； PBS，磷酸鹽緩沖鹽水； DI水、去離子水； EIS，電阻抗譜。



圖 5. TAGAH 的生物相容性。

圖 6. TAGAH 的各種生物醫(yī)學應用。 A) 在脛骨前肌表面使用 GO/瓊脂糖和 TAGAH 電極進行電生理 EMG 測量的照片和記錄的信號。 B) 壓力傳感器和 C) TAGAH 的應變傳感器應用。 D) GH 的 3D 打印加熱以產生 3D 構造；印刷的 TAGAH 支架是獨立的且導電的。 E) 在 3D 打印的 TAGAH 上進行體外成肌細胞培養(yǎng)；比例尺：100 µm。 GO，氧化石墨烯； TAGAH，熱退火石墨烯通道瓊脂糖水凝膠； GH，顆粒水凝膠；   EMG，肌電圖。

小結
在這項研究中，本文開發(fā)了一種簡單的制造方法，用于構建具有高電導率的導電水凝膠，并且很少使用各種形式的導電成分用于生物醫(yī)學應用。特別是，本文設計并使用自組裝的石墨烯涂層瓊脂糖微珠作為新型構件來生產各種形狀的水凝膠結構，然后對其進行熱退火以誘導水凝膠內導電石墨烯網絡的形成。在 70°C 下熱退火 60 分鐘導致 GO 和瓊脂糖重排為有序的大孔（蜂窩狀）結構。GO的熱還原和網絡形成導致使用少量GO顯著提高電/電化學和機械性能。TAGAH的體外細胞培養(yǎng)和體內皮下植入顯示其優(yōu)異的生物相容性。此外，TAGAH 可以輕松成型為各種導電產品，例如可植入 EMG 電極、壓力傳感器、應變傳感器和 3D 組織支架。隨著性能和實用性的成功展示，該石墨烯通道導電水凝膠系統(tǒng)將為各種生物醫(yī)學應用提供各種導電生物材料的簡便和多功能制造。