增强电子传递的导电高分子水凝胶及其在生物电子器件中的应用研究

Conductive polymer hydrogels combined the characteristics of both soft materials and organic conductors, which are conducting and with high water content within the polymer network microstructure that is similar biological tissues. Conducting polymer hydrogels have wide application in biological electronic devices. In the field of bio-electronics, how to enhance the electron transfer efficiency between the enzymatic reaction and electrode is a very important research topic. Our project is to doping the redox mediator molecules with sulfonic acid or phosphate groups on the main chain of conductive polymers through proton doping reaction between conducting polymers and acids. The redox mediator molecules can be immobilized on the conducting polymer hydrogels, and enhance the electron transfer between the enzyme and conducting polymer hydrogel bi-electrode. We will take the biosensing reaction of glucose as a classic model system to research on the synergistic relationship between bio-electron transfer and redox mediator molecules doped conducting polymer hydrogels. On the base of developing the enzyme electrode with low impedance and high response current, we will construct enzymatic biofuel cells with metabolites of uric acid and lactic acid. And we will explore the feasibility of biological fuel cells implanted into the animal body.

导电高分子水凝胶兼具水凝胶和有机导体二者特性，微观结构具有类似生物组织的高水含量聚合物网络，在生物电子器件中有广泛的应用前景。在生物电子学领域，如何增强酶促反应中电子到电极的转移效率是一个重要的研究课题。本项目研究思路是选择带有磺酸、磷酸基团的氧化还原电子媒介体，通过质子酸掺杂作用将其固载到导电高分子链上，构建具有增强电子传递能力的酶-导电高分子水凝胶生物电极。我们将以葡萄糖等经典的生物传感器为模型系统，研究掺杂电子媒介体的导电高分子水凝胶在生物电极电子传递上的增效关系。研制低阻抗、高响应电流的酶生物电极，并在此基础上构建以尿酸、乳酸等代谢物为燃料的酶生物燃料电池，探索将生物燃料电池植入动物体内的可行性。

项目提出通过掺杂酸的分子结构设计调控导电高分子水凝胶微结构和电学性质的新思想，发现通过掺杂/去掺杂、得/失电子等效应可动态、宽范围调制其电学性质并在器件中起“开关”和“调谐”的作用，为高性能聚合物传感器的研制提供了重要科学依据，主要创新点如下：1）利用聚苯胺掺杂/去掺杂原理，研制了高灵敏导电高分子气体传感器，并通过打印方法直接与商用NFC标签集成，直接实现了传感和信号传递的功能电路。聚苯胺对食物腐败的掺杂/去掺杂电阻响应可改变NFC标签的反射系数S11或谐振频率f0，实现了控制标签与可移动终端通信的开关。基于聚苯胺材料的超灵敏气体响应与其在NFC电路中的开关控制特性，实现了对于挥发性含氮物质的检测，利用可移动终端实现对于食物腐败的无线式便携检测；2）提出喷墨打印规模化制备生物传感器的方法，解决了水凝胶电极和多种酶的多喷头协同印刷难题，研制出多通道集成的高性能多指标生物传感器；3）提出了弹性体微结构化界面设计的力—电耦合原理，有效降低了柔性压力传感器的回滞和提升了动态响应性能。共发表基金标注的通讯作者论文22篇，包括2篇Nano Lett.、4篇IEEE Electron Dev. Lett.，应邀为Acc. Chem. Res., Small, J. Mater. Chem. B等期刊撰写展望论文为相关研究领域提供发展蓝图。作为第二完成人，研究成果作为主要内容获得了2017年度国家自然科学二等奖和2016年度江苏省科学技术一等奖，获得了2018年度杰出青年科学基金项目资助。