热处理方法提升生物电子材料稳定性，加速神经技术应用

机遇发现提升用于医疗植入物、计算与生物传感器的生物电子材料稳定性

一项偶然的发现引领科学家团队优化了一种在医学研究和计算应用中广泛使用的材料的制备过程。

二十多年来，科学家们在处理一种名为PEDOT:PSS的复合材料时，一直使用化学交联剂使这种导电聚合物在水中保持稳定。斯坦福大学的博士生Siddharth Doshi在与某中心的材料科学家Scott Keene合作，尝试为生物医学光学应用精确图案化该材料时，跳过了添加交联剂的步骤，并在制备过程中使用了更高的温度。令他惊讶的是，所得样品自身就表现出稳定性——完全不需要交联剂。

Keene表示："这更像是一个机缘巧合的发现，因为Siddharth尝试了与标准配方非常不同的流程，但样品结果仍然很好。我们当时就想，‘等等，真的吗？’这促使我们深入研究其原理。"

Keene及其团队发现，将PEDOT:PSS加热超过通常的阈值，不仅能使其在不需任何交联剂的情况下保持稳定，还能制造出质量更高的器件。这项近期发表于《先进材料》期刊的研究所描述的方法，可以使生物电子器件的制造变得更加容易和可靠，在神经植入物、生物传感器和下一代计算系统中具有潜在应用。

PEDOT:PSS是两种聚合物的混合物：一种传导电子电荷且不溶于水，另一种传导离子电荷且可溶于水。由于其能传导两种电荷，PEDOT:PSS成为连接活体组织与技术的桥梁。

"它基本上让你能够用大脑的语言进行沟通，"Keene说道。他的研究重点是为更小、高分辨率的电极开发先进材料，这些电极能够精确记录和刺激神经活动。

人类神经系统依赖离子（如钠和钾等带电粒子）来传递信号，而电子设备则使用电子。一种能够同时处理两者的材料对于神经植入物和其他需要将生物活动转化为可读数据、并能发送信号而不损伤敏感组织的生物电子器件至关重要。

研究结果表明，通过消除交联剂，不仅简化了PEDOT:PSS的制造过程，还提升了其性能。新方法产生的材料具有三倍更高的导电性，并且批次间的稳定性更加一致——这是医疗应用中的关键优势。

交联剂的作用是将PEDOT:PSS中的两种聚合物链化学键合在一起，形成互连的网络。然而，它仍然会让部分水溶性链暴露在外——这很可能是导致稳定性问题的原因。此外，交联剂引入了材料的变异性和潜在毒性。

相比之下，更高的温度通过引起材料中的相变来稳定PEDOT:PSS。当加热超过特定温度时，水不溶性聚合物在内部重组，将水溶性组分推至表面，从而可以被洗掉。剩下的是一种更薄、更纯净、更稳定的导电薄膜。

"这种方法极大地简化了人们在处理PEDOT:PSS时遇到的许多问题，"Keene说，"它同时也基本上消除了一种潜在的毒性化学物质。"

论文的第一作者之一，剑桥大学的博士生Margaux Forner表示，经过热处理的生物电子器件，如晶体管、脊髓刺激器和皮质脑电图阵列（用于记录大脑活动的植入式神经电极网格或条带），更容易制造、更可靠，并且性能与使用交联剂制造的器件相当。

"由热处理PEDOT:PSS制成的器件在慢性体内实验中证明是坚固的，植入后能保持稳定超过20天，"Forner说，"值得注意的是，该薄膜在拉伸时仍保持出色的电性能，突显了其在体内外用于耐用生物电子器件的潜力。"

这一发现可能有助于解释为何先前在长期神经植入物（包括某机构开发的产品）中使用PEDOT:PSS的努力遇到了稳定性问题。通过使PEDOT:PSS更可靠，这项发现可能有助于推进神经技术的发展，包括用于恢复脊髓损伤后运动的植入物以及连接大脑与外部设备的接口。

除了简化制造工艺，该团队还找到了一种将PEDOT:PSS图案化成微观三维结构的方法——这一突破可能进一步提升生物电子器件的性能。利用高精度飞秒激光，研究人员可以选择性地加热材料的特定部分，创造出能够增强细胞与器件相互作用的定制纹理。

"我们对于能够在微观尺度上进行3D打印这种聚合物感到非常兴奋，"Doshi说，"这一直是该领域的一个主要目标，因为用3D方式‘书写’这种功能材料，可以让你与生物的三维世界进行交互。通常，这是通过将PEDOT:PSS与不同的光敏粘合剂或树脂结合来实现的；然而，这些添加物会影响材料的性能，或者难以缩小到微米尺度。"

在先前的研究中，Keene探索了在电极上图案化沟槽，发现细胞优先附着在与其自身长度尺度相当的沟槽上。换句话说，"一个20微米的细胞喜欢抓住20微米大小的纹理，"他说。

这项技术可用于设计能够促进与周围组织更好融合的神经接口，从而提高信号质量和器件寿命。

Keene先前也曾研究过PEDOT:PSS在用于加速人工智能算法的神经形态存储器件中的应用。神经形态存储器是一种模仿大脑如何保留信息的人工存储器。

"它基本上模拟了你大脑的突触可塑性，"Keene说，"我们可以通过控制这种材料的导电性来修改两个终端之间的连接；这与大脑通过加强或削弱单个神经元之间的突触连接来进行学习非常相似。"

通过颠覆一个长期存在的假设，这项研究不仅使PEDOT:PSS更易于使用，而且使其性能更强大——这一转变可能会加速更安全、更有效的神经植入物和生物电子系统的发展。