深圳大学孔湉湉：高性能、湿粘、可拉伸全水凝胶超级电容器植入物

摘要

功能性生物电子植入物需要能量存储单元作为电源。当前的储能植入物面临着平衡因素的挑战，包括高性能、生物相容性、保形粘附以及与软组织的机械相容性。深圳大学孔湉湉副教授团队提出了一种全水凝胶微型超级电容器，它重量轻、薄、可拉伸且具有湿粘性，具有高面积电容（45.62 F g-1）和能量密度（333 μWh cm-2，4.68 Wh kg-1）。

全水凝胶微超级电容器由聚苯胺@还原氧化石墨烯/Mxenes凝胶电极和水凝胶电解质组成，其界面牢固交联，有助于高效稳定的电化学性能。通过心肌细胞和小鼠模型评估全水凝胶微型超级电容器的体外和体内生物相容性。后者是通过在将全水凝胶微型超级电容器植入物粘附到小鼠心脏两周后进行组织学、免疫染色和免疫荧光分析来系统地进行的。这些研究为生物电子学提供了有前途的储能模块，并为电子系统的未来生物集成提供了启示。相关论文以题为Biocompatible, High-Performance, Wet-Adhesive, Stretchable All-Hydrogel Supercapacitor Implant Based on PANI@rGO/Mxenes Electrode and Hydrogel Electrolyte发表在《Advanced Energy Materials》上。

主图

图1 轻质、机械可拉伸、生物相容、高性能和湿粘性微型超级电容器植入物的制造过程和应用示意图。

图2 a) PANI@rGO/Mxenes 电极的制造示意图，b) 水凝胶电解质和由其封装的微型超级电容器；c) 表面改性的湿粘超级电容器。

图3 PANI@rGO/Mxenes 凝胶电极的扫描电子显微图像，PANI/rGO/Mxenes 比率为 a) 2:1:0, b) 2:1:0.1, 和 c) 2:1:5；d) PANI@rGO/Mxenes凝胶电极的EDS元素分布图；e) Mxenes、PANI@rGO 和 PANI@rGO/Mxenes 凝胶的 XRD 图；f) 显示凝胶电极和水凝胶电解质之间界面的扫描电子显微图像；h）制造的全水凝胶微型超级电容器和串联微型超级电容器的光学图像。

图4 a) CV 和 b) 具有不同 rGO/Mxenes 比率的 PANI@rGO/Mxenes 凝胶电极在 100 mV s-1 扫描速率下的 GCD 曲线；c) 使用不同电解质的全水凝胶微型超级电容器的 CV 曲线；全水凝胶微型超级电容器 d) 不同角度弯曲和 e) 不同比例拉伸的 CV 曲线；f) 相对于循环次数的电容保持率。插图显示了循环过程中的典型 GCD 曲线；g) 显微和 SEM 图像显示凝胶电极和水凝胶电解质之间的界面（选择孔隙率较低的 PAM-Alg 水凝胶进行可视化）；h) 凝胶电极和水凝胶电解质的交联机制。

图5 光学图像显示了PVA/PAA-NHS水凝胶和 PAM-Alg 水凝胶之间的湿粘附 a-1) a-2) PVA/PAA-NHS 水凝胶和猪心脏的湿表面；b) 光学图像显示 PVA/PAA-NHS 水凝胶与猪肾脏的湿组织在各种变形（包括扭曲、拉伸和撕裂）下的强湿粘附；c) 全水凝胶微型超级电容器在 PBS 溶液中的浸渍及其测量的光学图像d) 在猪心脏湿表面上的电化学性能；e) 荧光显微图像和f) 使用大鼠心肌细胞 (H9c2(2-1)) 与不同百分比的提取物共培养的细胞活力图；g) 全水凝胶微型超级电容器 14 天的降解百分比图。

图6 a) 微型超级电容器、未植入微型超级电容器的小鼠和植入微型超级电容器的小鼠的连续热成像图像；b)第1天和第14天在小鼠心脏上植入微型超级电容器的代表性图像；c)对照组、开胸组和微型超级电容器植入组14天后小鼠心脏组织的代表性免疫染色图像和d)炎症程度；e)有代表性的免疫荧光图像和 f,g) 对照组、开胸组和微型超级电容器组小鼠心脏植入 14 天后从组织中获得的归一化荧光强度，其中绿色和红色荧光对应巨噬细胞的表达 M1 (CD86,f) 和 M2 (CD206,g)；h) 对照组、开胸组和微型超级电容器植入组小鼠心、肝、脾、肺、肾组织14天的H&E染色图像。

总结

具有高性能的生物相容性、湿粘、可拉伸超级电容器是集成能量存储单元为植入的生物电子设备供电的关键。我们采用具有优异电化学性能的PANI@rGO/Mxenes凝胶电极，结合原位交联水凝胶作为电解质和封装材料，形成全水凝胶微型超级电容器。由此产生的全水凝胶微型超级电容器重量轻、薄层、柔韧、可拉伸和湿粘。高性能凝胶电极，以及凝胶电极和凝胶电解质之间坚固的界面，确保了全水凝胶微型超级电容器的高面积电容和能量密度。体外和体内生物相容性研究表明，全水凝胶微型超级电容器对心肌细胞和小鼠无创伤。通过将全水凝胶微型超级电容器植入小鼠心脏湿表面 14 天，使用组织学、免疫染色和免疫荧光分析来评估体内生物相容性。这些结果为生物相容性生物电子植入物铺平了道路，并可能有利于开发具有多功能的生物集成电子产品，包括能量收集、存储和湿组织数据传输。

参考文献：

doi.org/10.1002/aenm.202101329

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