一、水凝膠的潛力與挑戰

水凝膠是一種類似人體組織的仿生材料，往其中加入導電成分制成的“導電水凝膠”，更是被寄予厚望用于可植入生物電子設備，比如監測人體健康的體內傳感器，既能貼合組織又減少免疫排斥。

然而，水凝膠中的水分子就像“搗亂分子”：它們會破壞導電成分之間的連接，導致導電水凝膠的導電性比干燥狀態下降數倍。更棘手的是，傳統導電水凝膠依賴離子導電，而離子在水中的遷移速度遠低于電子，這使得它們在高頻信號傳輸中“力不從心”，無法滿足快速電信號傳輸的需求。如何在水分子存在下，讓水凝膠實現快速的電荷傳輸？這成為領域內的關鍵難題。

二、向“非均質結構” 取經，打造電子傳輸“高速公路”

北京理工大學的趙飛教授研究團隊近日給出了創新方案：他們設計了一種名為“分級非均質網絡”（HIN）的特殊水凝膠結構，就像在材料內部搭建了多層 “電子高速公路”（圖1a），打破了導電水凝膠內部離子主導電荷傳輸機制的傳統認知。

柔軟的“水合PSS網絡”：由親水的PSS聚合物鏈相互纏繞形成，就像一張彈性十足的 “水網”，賦予材料柔韌性和保水性；導電“PEDOT：PSS多晶相”：其中，PEDOT微晶像“鋪路磚”，通過致密的PSS聚集體橋接，形成相互交錯的導電網絡。

更巧妙的是，PEDOT多晶相的內部應力限制了周圍PSS聚集體的水合程度，形成了一個“超高離子濃度微環境”。當施加電場時，這一環境就像“潤滑劑”，大幅降低電子在微晶之間跳躍的能量障礙，促進電子的跳躍（圖1b），從而在水凝膠中形成以電子主導的電信號快速傳輸通路，而非像傳統水凝膠那樣依賴緩慢的離子遷移。

圖1. HIN結構設計概念的示意圖

相關結構表征如圖2所示：拉伸曲線顯示其力學行為分為彈性變形、應變硬化和塑性變形三階段，塑性階段更高的楊氏模量表明相內應力分布差異（圖2a）；TEM圖像直觀呈現 HIN 中PEDOT微晶（黃色虛線圓）的棒狀結構（約 20 nm），與均勻水凝膠中 2 nm 的粒狀 PEDOT 納米晶形成顯著結晶行為差異（圖2b）；WAXS 散射譜和拉曼光譜進一步證實 HIN 中 PEDOT 微晶的 π-π 堆疊距離縮短，及醌式構象轉變，表明更有序的晶體排列（圖2c-e）；AFM相位圖顯示 HIN 中 PEDOT:PSS 多晶體形成互聯網絡（亮色導電相），區別于均勻結構的島狀分布（圖2f）；SEM 圖像則展現 HIN 水凝膠脫水后的多孔 3D 框架結構（圖2g）。這些表征共同證明 HIN 結構的成功構建。

圖2. HIN結構的系統表征

二、實現內部電信號的快速傳輸和界面電信號的高效翻譯

基于電子主導的電信號快速傳輸通路，HIN水凝膠實現了快速的電信號傳輸，即使在高頻下（如100 kHz以上），其信號幾乎仍與純電子導體的相近（圖3a-c）。同時其傳輸行為基于與傳電子導體PEDOT薄膜的接近，不受外界離子環境的影響（圖3d,e）。此外，材料優異的界面動力學行為（圖3f-h）主要歸因于其表面的密集PSS層，它就像一位反應迅速的“信號翻譯官”，能把界面上的離子信號實時轉換成電子信號，讓兩者的“對話”又快又準，！

圖3. 電信號傳輸行為和界面動力學行為測試

三、讓生物信號“秒懂秒傳”

HIN 水凝膠的核心奧秘，在于通過分級結構實現了離子-電子轉導的 “雙向加速”：既讓電子在水凝膠中高速奔跑，又讓生物界面的離子信號即時 “翻譯” 為電子語言。這種 “雙重加速” 讓柔性材料能實時讀懂植物的 “口渴信號”。作者將HIN水凝膠作為的微型電極植入植物葉片后，能以超高靈敏度實時捕捉植物內部的滲透壓變化（圖4a，b）。當植物缺水時，離子信號通過水凝膠快速轉為電子信號，就像給植物裝上了“即時通訊器”，讓水分運輸動態一目了然（圖c，d）。

圖4. 植物滲透壓的監測

這項研究開創了一種普適性的材料設計策略：通過調控聚合物網絡的微觀結構，在含水環境中構建電子主導的電荷傳輸路徑。該研究打破了水凝膠依賴離子遷移主導電荷傳輸的傳統機制，為高頻柔性電子器件及超靈敏生物傳感器的開發提供了新策略。該工作以“Boosting Electronic Charge Transport in Conductive Hydrogels via Rapid Ion-Electron Transduction”為題發表在《Angew. Chem., Int. Ed.》上（DOI: 10.1002/anie.202506560）。文章第一作者是北京理工大學的博士生李洲。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

https://doi.org/10.1002/anie.202506560

來源：高分子科技