彭争春、张翊《AFM》：基于MXene/PDA快速电沉积工艺的高性能生物电极

面向可穿戴健康监测和植入式监控与精准治疗的脑机接口研究迫切需要开发高性能、多功能的生物电极。理想的生物电子界面通常要求生物电极具有低界面阻抗、高电荷注入能力、长期稳定性和生物安全性。引入生物友好型纳米材料以增加有效表面积和相应的电化学性能是近年来常用的生物电极制备策略，但该类研究主要聚焦在贵金属材料和昂贵的制造工艺，严重限制了生物电极的规模化生产和应用范围。

MXene作为一类新型二维材料，自2011年被发现以来引起了广泛的研究兴趣，并逐步用于生物医学领域。然而，MXene与基底的粘附强度普遍较低，因此，在大多数文献报道中，通常将其作为掺杂成分之一，或作为导电油墨，然后通过滴涂、旋涂、印刷等方式加工成所需的电极。近年来，多个研究小组报道了在碳材料基底上原位沉积制备MXene薄膜电极，但主要针对电催化等工业应用，而采取快捷、温和的工艺制备稳定性良好的MXene基生物电极鲜有报道。

近日，深圳大学彭争春教授团队与中国科学院深圳先进技术研究院张翊高工团队联合报道了一种快速电化学沉积MXene与聚多巴胺(PDA)复合材料的方法，为高性能生物电子界面提供了新思路，该工作结合了PDA的高粘附性、亲水性和MXene的高比表面积、丰富官能团、类金属导电性的优点。团队采用循环伏安法首先在金属衬底上沉积PDA粘附层，然后采用电泳沉积工艺在PDA层上制备MXene功能层。其中PDA粘附层增强了MXene与金属衬底之间的附着力，并进一步提高了电极表面的亲水性，利于功能化修饰。所得到的MXene基生物电极表现出优异的电化学、光热、光电性能，以及较强的稳定性和生物相容性。该研究成果以“ Fast Electrodeposition of MXene/PDA Composites for High-Performance Bioelectronic Interfaces: An In Vitro Evaluation”为题在线发表于Wiley材料领域顶级期刊《 Advanced Functional Materials》上。

多巴胺是一种仿生分子，在实际条件下，通过强氢键和π-π堆叠相互作用，可以聚合在不同的表面形成聚多巴胺（PDA）涂层，从而获得更好的具有强粘附力的生物电子界面。因而，在衬底上引入一层PDA粘附层是制备出高性能MXene基生物电极的有效策略。

图1 MXene/PDA复合电极的电沉积制备过程和机理。(a)-(c) MXene/PDA复合电极快速电沉积过程示意图，包括在0.5 M H2SO4中进行电化学处理，在PBS中电化学聚合PDA粘附层，以及电泳沉积MXene功能层。相应的MXene电泳迁移示意图如图c(ii)所示；(d) PDA电化学聚合的反应机理。

优点一：MXene功能层与PDA粘附层的协同作用，包括复合材料的多孔性及MXene本身的高电导率和赝电容性能，可显著降低神经电极界面阻抗（在低频区优势显著，可降低~98%），并有效提升电极的电荷存储能力（约为金属电极的140倍）和电荷注入能力。因此，该生物电极为实现相同的刺激/记录效果所需要能耗更低。此外，该生物电极在经过1亿多次电脉冲刺激和1000次CV周期的连续电刺激后，仍表现出优异的电化学稳定性。

图2 (a)不同电极（裸Pt、PDA、MXene、MXene/PDA）的方阻对比；(b)-(c)不同修饰电极在PBS溶液中的电化学阻抗性能；(d)-(e)不同修饰电极在PBS溶液中的电荷存储能力和注入能力对比；(f)-(i) MXene/PDA复合电极的机械稳定性、电化学稳定性及样品存放稳定性。

优点二：鉴于MXenes在近红外（NIR）照射下具有优异的光热性能，该团队开发的生物电极具有高效且快速的光热响应，且光热反应前后的电极表面没有明显变化，展现出MXene/PDA复合材料与基底之间的高附着力和光热稳定性。这为其在神经元电活动的光热刺激及癌症的光热治疗等领域的应用打下了坚实的基础。

图3 (a)用于研究电极光热行为的实验装置示意图；(b)在功率密度为2 W cm−2的808 nm近红外激光照射下，裸Pt、PDA、MXene、MXene/PDA复合电极的光热响应曲线；(c)为(b)的前10s温升线性曲线对比放大图；(d)近红外激光功率密度0.25~1.5 W cm−2下MXene/PDA复合电极的温度分布，插图显示了相应的光热图像；(e)激光照射300 s时MXene/PDA复合电极的升温和降温情况；(f) MXene/PDA复合电极6次激光ON/OFF周期的温度-时间曲线；(g)MXene/PDA复合电极在不同时间间隔近红外照射下的红外热像图。

优点三：得益于光电子在MXene/PDA复合材料中的高效转移，该生物电极还表现出优异的光电化学活性，其光电流响应度比金属电极高出近40倍，且表现出优异的光电化学检测性能。这对未来记录神经信号、细胞活动等生物电子学应用具有重要价值。

图4 (a)光电化学性能测量过程示意图；(b)不同EPD时间下MXene/PDA复合电极在PBS中的光电流响应；(c)裸Pt、PDA和MXene/PDA复合电极的光电流响应；(d)-(e)6次激光ON/OFF周期下，MXene/PDA复合电极在不同时间间隔(t: 10~50 s)的光电流响应曲线。

图5 MXene/PDA复合电极在不同浓度AA溶液中的电流-时间曲线：(a)无光照，(c)有光照；(b)和(c)分别为相应的线性拟合曲线

最大限度地减少潜在的细胞毒性和排异反应是实现长期可靠的生物电子接口的关键，特别是对于植入式电子设备。该工作通过神经元黏附试验和细胞活力试验，证实了MXene/PDA基生物电极具有良好的生物相容性，有望减轻神经系统并发症。

图6 电极在小鼠原代神经元上的生物相容性评价。(a) 新生小鼠神经元细胞提取及电极共培养示意图；(b)-(c) 神经元在MXene/PDA复合电极表面培养24 h后的荧光图像；(d) 使用CCK8活性测定法定量测定电极提取物培养后的神经元存活率，NS表示不显著。

总结与展望：该研究工作提出了一种低成本、温和的原位电化学制备方法（常温常压、低电压、快速沉积），在衬底上获得稳定可靠的MXene/PDA基生物电极，为构筑新一代多功能集成的高性能生物电子接口提供了新思路。MXene/PDA基生物电极出色的电化学性能（低阻抗、高电荷存储/注入能力）和优异的光热/光电、生物性能，使其在健康监测、临床诊断和精准治疗等领域具有广阔的应用前景。值得一提的是，该电化学制备方法对不同衬底材料具备较强的普适性。团队未来的研究将着眼于MXene/PDA基生物电极在体内的电生理性能和长期稳定性，以进一步提升其在脑机接口研究中的价值。

来源：高分子科学前沿

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