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圖1. 水凝膠電極材料制備和全系水凝膠超級(jí)電容器組裝、應(yīng)用和多功能原理

  隨著生物電子學(xué)的快速發(fā)展，能夠與人體組織直接接觸的超級(jí)電容器成為可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵組件。然而，傳統(tǒng)超級(jí)電容器的剛性電極難以適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)，且缺乏生物相容性和生物粘附性。近期，西南交通大學(xué)魯雄/謝超鳴團(tuán)隊(duì)、浙江樹人學(xué)院姜麗麗團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種基于兩性離子水凝膠彈性體電極的全水凝膠超級(jí)電容器（AHSC），具有優(yōu)異的能量存儲(chǔ)性能、生物粘附性、與人體運(yùn)動(dòng)匹配的機(jī)械性能以及生物相容性。該AHSC不僅能像皮膚一樣柔軟貼合人體，還能高效儲(chǔ)能、穩(wěn)定供電。具體設(shè)計(jì)策略包括（圖1）：

  1.納米填料的制備：通過(guò)水熱法合成了鈷/鎳雙金屬有機(jī)框架（Co/Ni MOF），并利用聚多巴胺（PDA）將其錨定在還原氧化石墨烯（rGO）表面，形成Co/Ni MOF-PGO復(fù)合材料。PDA不僅防止了MOF的聚集，還通過(guò)其鄰苯二酚基團(tuán)增強(qiáng)了材料的生物粘附性（圖1和圖2）。

  2.水凝膠電極的制備：將Co/Ni MOF-PGO納米填料嵌入由[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-丙基磺酸)銨（DMAPS）和羥乙基丙烯酸酯（HEA）共聚而成的兩性離子水凝膠中，制備了Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極。該電極具有良好的導(dǎo)電性、生物粘附性和與人體運(yùn)動(dòng)匹配的機(jī)械性能（圖1）。

  3.全水凝膠超級(jí)電容器的組裝：將兩個(gè)Co/Ni MOF-PGO-DMAPS-HEA水凝膠電極與DMAPS-HEA/LiCl電解質(zhì)結(jié)合，組裝成AHSC。該超級(jí)電容器具有高能量存儲(chǔ)性能、生物粘附性和生物相容性，能夠適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)（圖4）。

  該工作打破了傳統(tǒng)超級(jí)電容做為生物電子器件時(shí)存在的硬傷：剛性電極，像“鋼板”一樣硬，無(wú)法適應(yīng)人體彎曲、拉伸的運(yùn)動(dòng)；生物相容性差，材料可能引發(fā)炎癥，長(zhǎng)期植入存在風(fēng)險(xiǎn)。 并創(chuàng)新性的通過(guò)仿生設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)賦予AHSC能像皮膚一樣柔軟貼合人體，高效儲(chǔ)能、穩(wěn)定供電等功能，具體包括以下方面：

  1. 能量存儲(chǔ)性能：Co/Ni MOF的贗電容效應(yīng)、PDA的動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)以及rGO的高導(dǎo)電性共同提升了水凝膠電極和AHSC的能量存儲(chǔ)性能。同時(shí)，AHSC在拉升和壓縮狀態(tài)的電化學(xué)性能也得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（圖2和圖4）；

  2. 生物粘附性：水凝膠電極表現(xiàn)出優(yōu)異的生物粘附性，利用兩性離子水凝膠彈性體的內(nèi)聚力和納米填料的仿生貽貝粘附原理，能夠長(zhǎng)期、適度的粘附在人體皮膚上（圖3）；

  3. 機(jī)械性能：該電極具有優(yōu)異的拉伸性和壓縮性，能夠適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)。AHSC也繼承了水凝膠電極的機(jī)械性能，能夠直接粘附于生物體組織表面，匹配組織運(yùn)動(dòng)并保持良好的電學(xué)性能（圖3和圖4）；

圖4. AHSC粘附于組織表面并提供電刺激作用

  該工作以“Polydopamine Mediated Nanofillers Reinforced Zwitterion Hydrogel Electrodes for Supercapacitors in Bioelectronics”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。這些研究不僅為生物電子學(xué)中的能量存儲(chǔ)提供了新的解決方案，還展示了生物材料與能源材料結(jié)合的廣闊前景。

  原文鏈接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06324