东华大学张耀鹏、上海大学朱波、上海交大宋鲁杰:透明导电的丝素卵白膜

基于电刺激对组织修复的促进作用,具有导电性和生物相容性的导电生物材料是组织工程领域目前的研究热点之一,而兼具良好透明性的该类材料还可以实现目标细胞及组织的实时观测、光治疗等。丝素蛋白(SF)材料具有优异的力学性能、生物相容性、生物可降解性。基

基于电刺激对组织修复的促进作用,具有导电性和生物相容性的导电生物质料是组织工程领域现在的研究热门之一,而兼具优越透明性的该类质料还可以实现目标细胞及组织的实时考察、光治疗等。丝素卵白(SF)质料具有优异的力学性能、生物相容性、生物可降解性。基于其溶液制备的再生丝素卵白(RSF)膜力学性能优良,氧渗透率好,在可见光透过率跨越90%,是一种理想的生物质料基体,可与碳基质料、导电该分子质料等复合制备透明导电生物质料。聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)作为一种新型导电高分子质料,导电性突出,界面阻抗小,环境稳定性与生物相容性优越,而且在其氧化态也表现出可见光区域的高透明度,十分适互助为透明导电生物质料的功效体。但PEDOT在RSF外面的改性复合难以正确控制,无法形成兼具优越的导电性、透明性及基体与导电层间牢靠的粘结性的导电层。

克日,东华大学纤维质料改性国家重点实验室的张耀鹏教授与上海大学的朱波教授、上海交通大学隶属第六人民医院的宋鲁杰主任医师互助,基于加入十二水烷基硫酸钠(SDS)胶束结构的水相环境,开发了用于化学氧化聚合沉积工艺的复合氧化剂(FeCl3及(NH4)2S2O8)配方,在RSF膜外面乐成沉积了结构平均的聚(羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT-OH)纳米导电层,丝素卵白膜表现出优越的导电性、透明性及基体与导电层间的粘附性。相关研究功效日前发表于《美国化学会生物质料科学与工程》(ACS Biomaterials Science& Engineering)(Transparent Conductive Silk Film with a PEDOT−OH Nano Layer as an Electroactive Cell Interface)。论文第一作者为东华大学博士生庄奥,配合通讯作者为东华大学张耀鹏教授、上海大学朱波教授、上海交通大学隶属第六人民医院宋鲁杰主任医师。

图1 (a)RSF膜和复合氧化剂系统制备的RSF/PEDOT-OH膜的紫外可见吸收光谱;(b)RSF膜和RSF/PEDOT-OH膜的数码照片及后者横截面的光学显微图片;(c)RSF/PEDOT-OH膜毗邻的LED灯电路及其在差别颜色的靠山下的透明性展示

该研究采用了较PEDOT单体水溶性更佳的羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT-OH)作为单体,通过FeCl3及(NH4)2S2O8组成的复合氧化剂系统引发水溶液中EDOT-OH的聚合并沉积在RSF外面。基于外面活性剂SDS在水中形成的胶束结构及其与FeCl3的络互助用,优化了天生的PEDOT-OH的结构,利于其在RSF膜外面的沉积;(NH4)2S2O8作为第二氧化剂,促进了泉源于FeCl3的Fe3+再生,避免了低FeCl3用量时的导电层缺陷;泉源于FeCl3的阳离子与泉源于(NH4)2S2O8的阴离子插入溶液中的PEDOT-OH后形成的分子间及分子内静电吸引力避免了过厚的导电层沉积。最终在RSF外面沉积了具有优越导电性和透光性的纳米级PEDOT-OH层,这种导电层在传统的单一氧化剂系统中很难构建。同时水溶液中的SDS胶束也会使PEDOT-OH导电层在RSF上具有较强的粘附性。

图2 复合氧化剂系统的超薄导电层的修建示意图

该RSF/PEDOT-OH膜的外面方块电阻Rs可达5.12×10Ω/sq,对应电导率为8.9×10-2 S/cm,同时在湿态下其可见光局限的最大透过率跨越73%。所制备的薄膜具有比通过旋涂获得的RSF/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)薄膜更强的界面附着力,优异的电化学稳定性,及优越的生物相容性。相比纯RSF膜,RSF/PEDOT-OH膜更利于在其外面生长的大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC12)的粘拥护分化,而且基于PEDOT-OH透明导电层乐成实现了对PC12细胞的电刺激培育和实时考察。

图3 大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC12)在RSF、RSF/PEDOT-OH导电薄膜上经神经生长因子(NGF)或电刺激诱导后的光学显微照片,轴突长度分布图及细胞活死染色图 

原文链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01665


泉源:东华生物质质料成型与加工课题组

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