仿生制备多巴胺功能化聚3,4-乙烯二氧噻吩及其与电极的可调控作用

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聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有很好的柔性和生物相容性,水相稳定性和电荷储存能力高,易于生物功能化在植入式神经电极上的应用具有很大潜力。然而PEDOT在金属与无机基底上的粘附性能并不能达到其应用要求,漫长的神经记录和刺激过程会使得PEDOT从电极基底脱粘,并造成通讯阻抗的上升。为了解决这个问题,本工作发展了一种可以同时紧密粘附结合聚合物层和电极基底表面的新型导电聚合物材料。灵感来源于即使是在湿润的水下环境仍然能够保持极强粘附力的海洋贻贝生物。3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(DOPA)和富含赖氨酸的蛋白是海洋贻贝生物在水下能够吸附在物体表面并具有极强粘附力的主要因素。在本工作中我们引入了与3,4-二羟基-L-苯丙氨酸(DOPA)结构类似的多巴胺(Dopamine),一种在干湿态环境下都可以强力粘附在各种有机和无机包括超疏水基底表面的材料。聚多巴胺(Polydopamine)本身也是一种天然黑色素“真黑素”,具有与天然黑色素类似的光学、电学和磁学性能以及非常良好的生物相容性。因此Dopamine在植入式神经电极方面有着极大的应用前景。首先,我们通过Dopamine侧链上的胺基基团依靠酰胺键将Dopamine连接在EDOT单体骨架上,然后在电极基底表面电化学氧化沉积聚合EDOT得到具有强界面粘附性和高导电性的聚3,4-乙烯二氧噻吩-多巴胺(PEDOT-DA)薄膜。在此之后,我们利于干态的胶带粘附测试和湿态的砝码悬重测试以及超声破碎测试,探究并比较了PEDOT-DA薄膜和其他多种功能化PEDOT薄膜在干湿态条件下的界面粘附性能。发现仿生贻贝功能化的PEDOT-DA薄膜的界面粘附性能远优于其它材料,因为引入的Dopamine基团容易通过非共价作用如氢键、金属配位螯合作用、π-π共轭、氢醌的荷移配合作用扩散粘附在各种基底上。而将Dopamine基团氧化成半醌(Semidopaminequinone)或者醌(Dopaminequinone)基团后会形成一个高强度的不可逆的共价有机表面,粘附物体表面主要依靠分子间作用力,粘附力急剧减弱。因此,我们利于电化学方法将PEDOT-DA薄膜氧化成聚3,4-乙烯二氧噻吩-多巴醌(PEDOT-DAQ)薄膜可以实现聚合物薄膜的可控脱除。最后,我们尝试用PEDOT-DA薄膜来助粘其他导电聚合物材料。一种方法是将其作为助粘界面层在PEDOT-DA薄膜上沉积其他功能化EDOT聚合物薄膜。另一种方法是将EDOT-DA引入其他功能化EDOT聚合物单体中共聚。这俩种方法都能显著增强PEDOT聚合物薄膜和基底的界面粘附性能。我们将仿生EDOT-DA引入模拟生物细胞膜制备的具有抗非特异性粘附能力的EDOT-PC聚合物中,在保持EDOT-PC抗非特异性粘附能力的基础上增强了薄膜的界面粘附性能从而制备出一种新型的生物电极,此电极具有极强的界面粘附和抗非特异性粘附作用。考虑到实际应用环境我们还通过体外极限电刺激实验进一步验证了电极在长期植入环境下的稳定性和可靠性。据此我们得到了一种具有极强的干湿态界面粘附性能和抗非特异性粘附能力的稳定可靠的生物电极。
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