該文章針對可穿戴生物電子設(shè)備對能量存儲器件的需求，提出了一種基于聚多巴胺介導(dǎo)納米填料增強(qiáng)的兩性離子水凝膠電極的全水凝膠超級電容器（AHSC）。該AHSC具有優(yōu)異的能量存儲性能、生物粘附性、與人體運(yùn)動匹配的機(jī)械性能和生物相容性，克服了傳統(tǒng)剛性電極和低組織親和力電源設(shè)備的局限性。其創(chuàng)新點(diǎn)在于：紅氧化石墨烯（rGO）錨定鈷/鎳雙金屬有機(jī)框架（Co/Ni MOF）的納米填料設(shè)計：利用聚多巴胺（PDA）將Co/Ni MOF納米顆粒錨定在rGO納米片上，形成復(fù)合納米填料（Co/Ni MOF-PGO）。Co/Ni MOF提供高能量存儲性能，rGO增強(qiáng)導(dǎo)電性，PDA引入鄰苯二酚基團(tuán)，賦予生物粘附性。兩性離子彈性體水凝膠電極：將Co/Ni MOF-PGO納米填料集成到由HEA和DMAPS共聚的兩性離子彈性體水凝膠中，制備出具有優(yōu)異導(dǎo)電性、生物粘附性、生物相容性和人體運(yùn)動匹配機(jī)械性能的水凝膠電極（Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA）。多功能AHSC的構(gòu)建：將Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極與DMAPS-HEA/LiCl電解質(zhì)組裝成AHSC，實(shí)現(xiàn)高能量存儲性能、生物粘附性、生物相容性和與人體運(yùn)動匹配的機(jī)械性能。該研究為可穿戴生物電子設(shè)備提供了新型能量存儲解決方案，并為植入式生物超級電容器和生物電子治療開辟了新的途徑。

圖1. 多功能Co/Ni金屬有機(jī)骨架（MOF）-氧化石墨烯（PGO）-DMAPS-HEA水凝膠電極和自適應(yīng)超材料水凝膠皮膚粘合劑（AHSC）的制備示意圖。(a) 制備Co/Ni MOF、PGO和Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠的步驟。放大部分顯示了制備的Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。(b) AHSC的組裝結(jié)構(gòu)及其多功能概述，包括高能量存儲性能、優(yōu)化的身體運(yùn)動匹配機(jī)械性能、生物粘附和生物相容性。放大的部分截面顯示了氧化還原活性納米填料的電化學(xué)反應(yīng)，包括：i. 不同氧化態(tài)的鈷和鎳離子之間的贗法拉第反應(yīng)，有助于能量存儲性能；ii. 醌和兒茶酚的動態(tài)氧化還原反應(yīng)，有助于多巴胺介導(dǎo)的水凝膠電極的生物粘附；以及iii. 在鏈接結(jié)構(gòu)中有效的電子轉(zhuǎn)移，這是由rGO加速的。

圖2. (a) Co/Ni MOF的形貌，(b) 氧化石墨烯（GO）的形貌，以及(c) Co/Ni MOF-PGO納米填料的形貌。(d) Co/Ni MOF的X射線衍射（XRD）圖譜。Co/Ni MOF中(e) 鈷元素和(f) 鎳元素的X射線光電子能譜（XPS）譜圖。(g) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠的照片。(h) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠的截面形貌。(i) 一系列水凝膠電極在50 mV s?1掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線。(j) 不同水凝膠電極的導(dǎo)電性。(k) 在直流偏壓為0 V，正弦信號為10 mV，頻率范圍為100 kHz到0.01 Hz的條件下，不同水凝膠電極的奈奎斯特（Nyquist）圖。(m) 將Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極用作植入電極，在大鼠背部進(jìn)行生物相容性測試。(n) 植入(1) DMAPS-HEA，(2) PGO-DMAPS-HEA，和(3) 1% Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極后14天，周圍組織的蘇木精-伊紅（Hematoxylin and eosin）染色。

圖3. (a) 水凝膠電極粘附在作者的指尖上，并與手指運(yùn)動相匹配。(b) 各種水凝膠電極在豬皮上的粘附強(qiáng)度。(c) 水凝膠電極在皮膚組織上經(jīng)過反復(fù)剝離和粘附循環(huán)后的粘附強(qiáng)度；插圖：電極在作者手臂上的反復(fù)粘附。(d) 所制備水凝膠電極的粘附機(jī)制：i. 凝聚機(jī)制和ii. 表面粘附機(jī)制。(e) 各種水凝膠的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(f) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極的加載-卸載拉伸曲線。(g) 各種所制備水凝膠電極的斷裂能量。(h) 各種水凝膠電極的典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(j) Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極的加載-卸載壓縮曲線。(k) 雷達(dá)圖顯示了Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極的電化學(xué)性能、導(dǎo)電性、粘附性以及優(yōu)化的拉伸性和壓縮性與文獻(xiàn)31-34中研究的材料相比的對比。

圖4. (a) AHSC作為能源用來點(diǎn)亮LED燈泡，并提供電刺激給手臂肌肉和豬心臟，以及分別獲得的手臂和豬心臟電刺激的肌電圖（EMG）信號。(b) AHSC的放電曲線，伴隨著膝蓋的運(yùn)動，包括直彎狀態(tài)的循環(huán)。照片展示了AHSC粘附在一位作者的膝蓋上。(c) 在50 mV s?1掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線。(d) 在0.2 mA cm?2電流密度下的恒電流充放電（GCD）曲線。(e) 不同AHSCs的電容保持率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。(f) 在100 mV s?1掃描速率下的CV曲線，(g) GCD曲線，以及(h)在不同拉伸條件下的電容變化。

期刊： Nano Letters

題目： Polydopamine-Mediated Nanofillers Reinforced Zwitterion Hydrogel Electrodes for Supercapacitors in Bioelectronics

作者： Lili Jiang,* Youjian Li, Yuming Cao, Donglin Gan, Fa Zou, Le Yuan, Denghui Zhang, Chaoming Xie,* and Xiong Lu*

接受日期：First published: 05 February 2025

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06324

來源：發(fā)光材料與器件應(yīng)用