近日，香港大学徐立之团队和香港城市大学杨梦甦团队报道了一种简单有效的方法来合成高性能纳米结构的导电水凝胶，并结合基于PDMS的软光刻技术制备柔性微图案电极，应用于生物电信号的收集、生物电刺激的发生装置。以芳纶水凝胶的超连接纳米纤维网络为模板，导电聚合物聚吡咯通过原位聚合共形地组装到纳米纤维上，产生连续的纳米结构导电通路。所得导电水凝胶显示出优异的电导率（72 S/cm）和断裂强度（27.2 MPa）。利用这种水凝胶的超级电容器电极表现出高比电容（240 F/g）和循环稳定性。此外，图案化水凝胶的生物电极提供了有利的生物电子接口，允许在生理环境中进行高质量的电生理记录和刺激。

图1. 纳米纤维导电水凝胶的结构：以自组装形成的高连接纳米芳纶纤维为合成模板，原位聚合导电高分子聚吡咯形成了高强度和高电导率兼具的全高分子纳米纤维水凝胶。

图2. 高分子间的非共价相互作用：芳纶纳米纤维高分子和聚吡咯之间存在广泛的氢键和π-π相互作用。

图3. 水凝胶的电学表现：水凝胶具有高的电导率（~72 S/cm），并在不同的化学环境和力学形变中表现出极好的电导率稳定性。由于其高的空隙率，导电水凝胶的超级电容器电极表现出高比电容（240 F/g）和循环稳定性。

图4. 水凝胶的力学表现：水凝胶具有高的拉伸强度（27.2 MPa）和拉伸率（22.4%），并在引入Kirigami结构后拉伸率可进一步提高到超过80%。

图5. 水凝胶用于生物电信号的采集：相比于传统的金电极，多孔的高分子纳米纤维导电水凝胶在生物电频率下具有更低的界面阻抗。

图6. 水凝胶用于生物电刺激的发生电极：结合基于PDMS的软光刻技术制备柔性微图案电极，用于调制心肌细胞的收缩行为。

这项研究以“Strong and high-conductivity hydrogels with all-polymer nano fibrous networks for applications as high-capacitance flexible electrodes”为题，发表在《npj Flexible Electronics》上。香港大学机械工程系助理教授徐立之和香港城市大学生物医学系暨董氏生物医学中心的杨梦甦教授为论文的共同通讯作者，何慧敏和陈雅晴博士为论文的共同第一作者。该研究得到了香港城市大学Kiwon Ban教授和濮傲扬博士的合作支持。DOI: 10.1038/s41528-024-00346-8